(57)【要約】  本発明の電極−膜−枠接合体の製造方法は、第１ガス拡散層に近接して第１触媒層の周縁部上に、予め成形された第１成形体を配置するとともに、第２ガス拡散層に近接して第２触媒層の周縁部上に、予め成形された第２成形体を配置し、高分子電解質膜の厚み方向から見て第２成形体の外縁部よりも内側に位置する高分子電解質膜の第２の主面の内側領域に直接接することなく、第１成形体と第２成形体とを一体的に接続するように第３成形体を射出成形することにより、第１成形体と第２成形体と第３成形体とで枠体を形成することを含む。これにより、高分子電解質膜の劣化を抑えることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜の第１の主面に配置された第１触媒層と、前記第１触媒層の主面に配置された第１ガス拡散層と、前記電解質膜の第２の主面に配置された第２触媒層と、前記第２触媒層の主面に配置された第２ガス拡散層と、を有する膜電極接合体の周縁部に枠体が形成された電極−膜−枠接合体の製造方法であって、
前記製造方法は、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と予め成形された額縁状の形状を有する第１成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記電解質膜の第１の主面側に前記第１成形体を配置する工程と、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と予め成形された額縁状の形状を有する第２成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記電解質膜の第２の主面側に前記第２成形体を配置する工程と、
前記第１成形体を配置する工程及び前記第２成形体を配置する工程の後、前記電解質膜の厚み方向から見て前記第２成形体の外縁部よりも内側に位置する前記電解質膜の第２の主面の内側領域に直接接することなく、前記第１成形体及び前記第２成形体を一体的に接続するように、前記第１成形体と前記第２成形体との間に第３成形体を射出成形することにより、前記第１成形体と前記第２成形体と前記第３成形体とを含む前記枠体を形成する工程と、
を含む、電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項２】
前記第２成形体を配置する工程において、前記第２触媒層の周縁部の主面の一部が露出するように前記第２触媒層の周縁部上に前記第２成形体を配置し、
前記枠体を形成する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第３成形体の一部と前記露出する第２触媒層の周縁部の一部とが重なるように、前記第３成形体を射出成形する、請求項１に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項３】
前記枠体を形成する工程において、前記第３成形体を構成する樹脂材料の一部が前記露出する第２触媒層の周縁部の一部に混在するように、前記第３成形体を射出成形する、請求項２に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項４】
前記第１成形体を配置する工程において、前記第１触媒層の周縁部の主面の一部が露出するように、前記第１触媒層の周縁部上に前記第１成形体を配置し、
前記枠体を形成する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第３成形体の一部と前記露出する第１触媒層の周縁部の一部とが重なるように、前記第３成形体を射出成形する、請求項２に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項５】
前記枠体を形成する工程において、前記第３成形体を構成する樹脂材料の一部が前記露出する第１触媒層の周縁部の一部に混在するように、前記第３成形体を射出成形する、請求項４に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項６】
前記膜電極接合体は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部及び前記第２触媒層の周縁部のうち少なくとも一方が、前記電解質膜の周縁部より内側に配置されている、請求項１〜５のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項７】
前記膜電極接合体は、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部が前記第１ガス拡散層の周縁部より外側に配置され、前記第２触媒層の周縁部が前記第２ガス拡散層の周縁部より外側に配置され、
前記第１成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部と前記第１成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記第１成形体を配置し、
前記第２成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第２触媒層の周縁部と前記第２成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記第２成形体を配置する、請求項１〜５のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項８】
前記製造方法は、
前記第１成形体を配置する工程、前記第２成形体を配置する工程、及び前記枠体を形成する工程の前に、
前記第１触媒層の主面に前記第１ガス拡散層を配置する工程と、
前記第２触媒層の主面に前記第２ガス拡散層を配置する工程と、
を含み、
前記第１成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１ガス拡散層の周縁部より外側に前記第１成形体を配置し、
前記第２成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第２ガス拡散層の周縁部より外側に前記第２成形体を配置する、請求項１〜７のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項９】
前記製造方法は、
前記第１成形体を配置する工程、前記第２成形体を配置する工程、及び前記枠体を形成する工程の後に、
前記第１触媒層の主面に前記第１ガス拡散層を配置する工程と、
前記第２触媒層の主面に前記第２ガス拡散層を配置する工程と、
を含み、
前記第１成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１成形体の内縁部より内側に前記第１ガス拡散層を配置し、
前記第２成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第２成形体の内縁部より内側に前記第２ガス拡散層を配置する、請求項１〜７のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項１０】
前記枠体を形成する工程においては、前記第３成形体を構成する樹脂材料の一部が前記第２ガス拡散層の周縁部に混在するように射出成形される、請求項８又は９に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項１１】
前記第１成形体は、前記第１ガス拡散層と隙間を空けて配置され、
前記第２成形体は、前記第２ガス拡散層と隙間を空けて配置され、
前記枠体を形成する工程の後、前記隙間に弾性体を配置する工程をさらに含む、請求項８〜１０のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項１２】
前記第１成形体と前記第２成形体とは、前記第３成形体により接続される前に、それらの一部が接続されるように一体成形されている、請求項１に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項１３】
高分子電解質膜の第１の主面に配置された第１触媒層と、前記第１触媒層の主面に配置された第１ガス拡散層と、前記電解質膜の第２の主面に配置された第２触媒層と、前記第２触媒層の主面に配置された第２ガス拡散層と、を有する膜電極接合体の周縁部に枠体が形成された電極−膜−枠接合体であって、
前記枠体は、
第１成形体と第２成形体と第３成形体とを有し、
前記第１成形体は、額縁状の形状を有し、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と少なくとも前記第１成形体の内縁部とが重なるように、前記電解質膜の第１の主面側に配置され、
前記第２成形体は、額縁状の形状を有し、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と少なくとも前記第２成形体の内縁部とが重なるように、前記電解質膜の第２の主面側に配置され、
前記第３成形体は、前記第１成形体と前記第２成形体とを一体的に接続するように、前記第１成形体と前記第２成形体との間に配置されている、
電極−膜−枠接合体。
【請求項１４】
前記枠体は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層及び前記第２触媒層の周縁部の一部のうち少なくとも一方と前記第３成形体の一部とが重なるように配置されている、請求項１３に記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項１５】
前記第３成形体を構成する樹脂材料の一部は、前記第１触媒層の周縁部の主面の一部及び第２触媒層の周縁部の主面の一部のうち少なくとも一方に混在しており、
前記第１成形体を構成する材料は、前記第１触媒層の周縁部の主面に混在しておらず、
前記第２成形体を構成する材料は、前記第２触媒層の周縁部の主面に混在していない、請求項１３又は１４に記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項１６】
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部及び前記第２触媒層の周縁部のうち少なくとも一方が、前記電解質膜の周縁部より内側に配置されている、請求項１３〜１５のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項１７】
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部が前記第１ガス拡散層の周縁部より外側に配置され、前記第２触媒層の周縁部が前記第２ガス拡散層の周縁部より外側に配置され、
前記枠体は、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部と前記第１成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記第１成形体が配置され、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第２触媒層の周縁部と前記第２成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記第２成形体が配置されている、請求項１３〜１６のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項１８】
前記第１成形体は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１ガス拡散層の周縁部より外側に配置され、
前記第２成形体は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第２ガス拡散層の周縁部より外側に配置されている、請求項１３〜１７のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項１９】
前記第１及び第２成形体のうち少なくとも一方は、前記第１及び第２ガス拡散層のうち少なくとも一方と隙間を空けて配置され、当該隙間と当該隙間に隣接する前記第１及び第２成形体のうち少なくとも一方とを覆うように弾性体が配置されている、請求項１８に記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項２０】
前記弾性体は、前記弾性体を構成する樹脂材料の一部が、前記隙間に隣接する第１及び第２ガス拡散層のうち少なくとも一方の周縁部に混在している、請求項１９に記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項２１】
前記第１成形体と第２成形体とは、硬度が異なる樹脂材料で構成されている、請求項１３に記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項２２】
前記第１及び第２成形体のいずれか一方は、熱可塑性樹脂で構成され、
前記第１及び第２成形体のいずれか他方は、熱可塑性エラストマーで構成されている、
請求項２１に記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項２３】
前記第１及び第２成形体のうち少なくとも一方は、熱可塑性樹脂層と熱可塑性エラストマー層とを含む複層構造で構成されている、請求項１３に記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項２４】
前記熱可塑性エラストマー層が前記第１又は第２触媒層の周縁部と接触するように構成されている、請求項２３に記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項２５】
請求項１３〜２４のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体を備える燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される燃料電池に関し、特に当該燃料電池が備える電極−膜−枠接合体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池（例えば、高分子電解質形燃料電池）は、水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる装置である。【０００３】
燃料電池は、一般的には複数のセルを積層し、それらをボルトなどの締結部材で加圧締結することにより構成されている。１つのセルは、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane-Electrode-Assemblyという）を一対の板状の導電性のセパレータで挟んで構成されている。ＭＥＡの周縁部は枠体で保持されている。なお、ここでは、前記枠体を備えるＭＥＡを電極−膜−枠接合体という。【０００４】
電極−膜−枠接合体は、通常、次のようにして形成される（例えば、特許文献１：国際公開番号ＷＯ２００９／０７２２９１号参照）。図２６Ａ〜図２６Ｃは、従来の電極−膜−枠接合体の製造工程を、ＭＥＡと枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図である。【０００５】
まず、図２６Ａに示すように、金型Ｔ１００Ａ内に溶融した熱可塑性樹脂を流し込むことにより、枠体１０２の一部を構成する一次成形体１０２Ａを射出成形する。
次いで、図２６Ｂに示すように、一次成形体１０２Ａ上にＭＥＡ１０１を配置する。【０００６】
ここで、ＭＥＡ１０１は、高分子電解質膜１１１と、当該高分子電解質膜１１１の両面に配置された一対の電極層１１２によって構成されている。各電極層１１２は、通常、金属触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする触媒層１１３と、当該触媒層１１３上に配置される多孔質で導電性を有するガス拡散層１１４とで構成されている。【０００７】
次いで、図２６Ｃに示すように、金型Ｔ１００Ｂ内に溶融した熱可塑性樹脂を流し込むことにより、枠体１０２の他部を構成する二次成形体１０２Ｂを射出成形する。これにより、一次成形体１０２Ａと二次成形体１０２Ｂとが一体化して枠体１０２が形成され、電極−膜−枠接合体が製造される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開番号ＷＯ２００９／０７２２９１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記従来の製造方法では、枠体１０２の二次成形体１０２Ｂを射出成形により形成する。この射出成形では、熱可塑性樹脂を溶融させる必要があるので、金型内に流し込む際の熱可塑性樹脂の温度は、例えば２００度以上の高温となる。二次成形体１０２Ｂを射出成形する際に、高温の熱可塑性樹脂が高分子電解質膜１１１に直接接触する場合、熱可塑性樹脂の熱により高分子電解質膜１１１が劣化（膜厚の減少、強度低下等）するおそれがある。また、触媒層１１３は、通常、金属触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする多孔質な部材で構成されている。高温の熱可塑性樹脂が触媒層１１３に直接接触する場合、高温の熱可塑性樹脂が触媒層１１３を通じて高分子電解質膜１１１に達し、熱可塑性樹脂の熱により高分子電解質膜１１１が劣化（膜厚の減少、強度低下等）するおそれがある。【００１０】
また、熱可塑性樹脂の金型内への射出圧力は、十分な成形精度を確保するために、一般に、例えばセルの締結圧の１０倍以上の高圧にする必要がある。二次成形体１０２Ｂを射出成形する際に、高圧の熱可塑性樹脂が高分子電解質膜１１１に直接接触する場合、熱可塑性樹脂の圧力により高分子電解質膜１１１が劣化するおそれがある。また、高圧の熱可塑性樹脂が触媒層１１３に直接接触する場合、高圧の熱可塑性樹脂が触媒層１１３を通じて高分子電解質膜１１１に達し、熱可塑性樹脂の圧力により高分子電解質膜１１１が劣化するおそれがある。【００１１】
高分子電解質膜１１１が劣化すると、燃料電池の発電性能が低下することになる。特に、二次成形体１０２Ｂは発電部に近いので、発電部近傍の高分子電解質膜１１１が劣化することによる発電性能の低下の問題は顕著になる。ここで、発電部とは、高分子電解質膜１１１の厚み方向から見て、一対のガス拡散層１１４，１１４が互いに重なる部分をいう。【００１２】
従って、本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、高分子電解質膜の劣化を抑えることができる電極−膜−枠接合体及びその製造方法、並びに当該電極−膜−枠接合体を備える燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の第１態様によれば、高分子電解質膜の第１の主面に配置された第１触媒層と、前記第１触媒層の主面に配置された第１ガス拡散層と、前記電解質膜の第２の主面に配置された第２触媒層と、前記第２触媒層の主面に配置された第２ガス拡散層と、を有する膜電極接合体の周縁部に枠体が形成された電極−膜−枠接合体の製造方法であって、
前記製造方法は、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と予め成形された額縁状の形状を有する第１成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記電解質膜の第１の主面側に前記第１成形体を配置する工程と、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と予め成形された額縁状の形状を有する第２成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記電解質膜の第２の主面側に前記第２成形体を配置する工程と、
前記第１成形体を配置する工程及び前記第２成形体を配置する工程の後、前記電解質膜の厚み方向から見て前記第２成形体の外縁部よりも内側に位置する前記電解質膜の第２の主面の内側領域に直接接することなく、前記第１成形体及び前記第２成形体を一体的に接続するように前記第１成形体と前記第２成形体との間に第３成形体を射出成形することにより、前記第１成形体と前記第２成形体と前記第３成形体とを含む前記枠体を形成する工程と、
を含む、電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【００１４】
本発明の第２態様によれば、前記第２成形体を配置する工程において、前記第２触媒層の周縁部の主面の一部が露出するように前記第２触媒層の周縁部上に前記第２成形体を配置し、
前記枠体を形成する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第３成形体の一部が前記露出する第２触媒層の周縁部の一部とが重なるように、前記第３成形体を射出成形する、第１態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【００１５】
本発明の第３態様によれば、前記枠体を形成する工程において、前記第３成形体を構成する樹脂材料の一部が前記露出する第２触媒層の周縁部の一部に混在するように、前記第３成形体を射出成形する、第２態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【００１６】
本発明の第４態様によれば、前記第１成形体を配置する工程において、前記第１触媒層の周縁部の主面の一部が露出するように、前記第１触媒層の周縁部上に前記第１成形体を配置し、
前記枠体を形成する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第３成形体の一部と前記露出する第１触媒層の周縁部の一部とが重なるように、前記第３成形体を射出成形する、第２態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【００１７】
本発明の第５態様によれば、前記枠体を形成する工程において、前記第３成形体を構成する樹脂材料の一部が前記露出する第１触媒層の周縁部の一部に混在するように、前記第３成形体を射出成形する、第４態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【００１８】
本発明の第６態様によれば、前記膜電極接合体は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部及び第２触媒層の周縁部のうち少なくとも一方が、前記電解質膜の周縁部より内側に配置されている、第１〜５態様のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【００１９】
本発明の第７態様によれば、前記膜電極接合体は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部が前記第１ガス拡散層の周縁部より外側に配置され、前記第２触媒層の周縁部が前記第２ガス拡散層の周縁部より外側に配置され、
前記第１成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部と前記第１成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記第１成形体を配置し、
前記第２成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第２触媒層の周縁部と前記第２成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記第２成形体を配置する、第１〜５態様のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【００２０】
本発明の第８態様によれば、前記製造方法は、
前記第１成形体を配置する工程、第２成形体を配置する工程、及び前記枠体を形成する工程の前に、
前記第１触媒層の主面に前記第１ガス拡散層を配置する工程と、
前記第２触媒層の主面に前記第２ガス拡散層を配置する工程と、
を含み、
前記第１成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１ガス拡散層の周縁部より外側に前記第１成形体を配置し、
前記第２成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第２ガス拡散層の周縁部より外側に前記第２成形体を配置する、第１〜７態様のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【００２１】
本発明の第９態様によれば、前記製造方法は、
前記第１成形体を配置する工程、第２成形体を配置する工程、及び前記枠体を形成する工程の後に、
前記第１触媒層の主面に前記第１ガス拡散層を配置する工程と、
前記第２触媒層の主面に前記第２ガス拡散層を配置する工程と、
を含み、
前記第１成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１成形体の内縁部より内側に前記第１ガス拡散層を配置し、
前記第２成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第２成形体の内縁部より内側に前記第２ガス拡散層を配置する、第１〜７態様のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【００２２】
本発明の第１０態様によれば、前記枠体を形成する工程においては、前記第３成形体を構成する樹脂材料の一部が前記第２ガス拡散層の周縁部に混在するように射出成形される、第８又は９態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【００２３】
本発明の第１１態様によれば、前記第１成形体は、前記第１ガス拡散層と隙間を空けて配置され、
前記第２成形体は、前記第２ガス拡散層と隙間を空けて配置され、
前記枠体を形成する工程の後、前記隙間に弾性体を配置する工程をさらに含む、第８又は９態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【００２４】
本発明の第１２態様によれば、前記第１成形体と前記第２成形体とは、前記第３成形体により接続される前に、それらの一部が接続されるように一体成形されている、第１態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【００２５】
本発明の第１３態様によれば、高分子電解質膜の第１の主面に配置された第１触媒層と、前記第１触媒層の主面に配置された第１ガス拡散層と、前記電解質膜の第２の主面に配置された第２触媒層と、前記第２触媒層の主面に配置された第２ガス拡散層と、を有する膜電極接合体の周縁部に枠体が形成された電極−膜−枠接合体であって、
前記枠体は、
第１成形体と第２成形体と第３成形体とを有し、
前記第１成形体は、額縁状の形状を有し、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と少なくとも前記第１成形体の内縁部とが重なるように、前記電解質膜の第１の主面側に配置され、
前記第２成形体は、額縁状の形状を有し、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と少なくとも前記第２成形体の内縁部とが重なるように、前記電解質膜の第２の主面側に配置され、
前記第３成形体は、前記第１成形体と前記第２成形体とを一体的に接続するように、前記第１成形体と前記第２成形体との間に配置されている、
電極−膜−枠接合体を提供する。【００２６】
本発明の第１３態様によれば、前記枠体は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層及び前記第２触媒層の周縁部の一部のうち少なくとも一方と前記第３成形体の一部とが重なるように配置されている、第１２態様に記載の電極−膜−枠接合体を提供する。【００２７】
本発明の第１５態様によれば、前記第３成形体を構成する樹脂材料の一部は、前記第１触媒層の周縁部の主面の一部及び第２の触媒層の周縁部の主面の一部のうち少なくとも一方に混在しており、
前記第１成形体を構成する材料は、前記第１触媒層の周縁部の主面に混在しておらず、
前記第２成形体を構成する材料は、前記第２触媒層の周縁部の主面に混在していない、第１３又は１４態様に記載の電極−膜−枠接合体を提供する。【００２８】
本発明の第１６態様によれば、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部及び前記第２触媒層の周縁部のうち少なくとも一方が、前記電解質膜の周縁部より内側に配置されている、第１３〜１５態様のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体を提供する。【００２９】
本発明の第１７態様によれば、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部が前記第１ガス拡散層の周縁部より外側に配置され、前記第２触媒層の周縁部が前記第２ガス拡散層の周縁部より外側に配置され、
前記枠体は、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部と前記第１成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記第１成形体が配置され、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第２触媒層の周縁部と前記第２成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記第２成形体が配置されている、第１３〜１６態様のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。【００３０】
本発明の第１８態様によれば、前記第１成形体は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１ガス拡散層の周縁部より外側に配置され、
前記第２成形体は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第２ガス拡散層の周縁部より外側に配置されている、第１３〜１７態様のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体を提供する。【００３１】
本発明の第１９態様によれば、前記第１及び第２成形体のうち少なくとも一方は、前記第１及び第２ガス拡散層のうち少なくとも一方と隙間を空けて配置され、当該隙間と当該隙間に隣接する前記第１及び第２成形体のうち少なくとも一方とを覆うように弾性体が配置されている、第１８態様に記載の電極−膜−枠接合体を提供する。【００３２】
本発明の第２０態様によれば、前記弾性体は、前記弾性体を構成する樹脂材料の一部が、前記隙間に隣接する第１及び第２ガス拡散層のうち少なくとも一方の周縁部に混在している、第１９態様に記載の電極−膜−枠接合体を提供する。【００３３】
本発明の第２１態様によれば、前記第１成形体と第２成形体とは、硬度が異なる樹脂材料で構成されている、第１３態様に記載の電極−膜−枠接合体を提供する。【００３４】
本発明の第２２態様によれば、前記第１及び第２成形体のいずれか一方は、熱可塑性樹脂で構成され、
前記第１及び第２成形体のいずれか他方は、熱可塑性エラストマーで構成されている、
第２１態様に記載の電極−膜−枠接合体を提供する。【００３５】
本発明の第２３態様によれば、前記第１及び第２成形体の少なくともいずれか一方は、熱可塑性樹脂層と熱可塑性エラストマー層とを含む複層構造で構成されている、第１３態様に記載の電極−膜−枠接合体を提供する。【００３６】
本発明の第２４態様によれば、前記熱可塑性エラストマー層が前記第１又は第２触媒層の周縁部と接触するように構成されている、第２３態様に記載の電極−膜−枠接合体を提供する。【００３７】
本発明の第２５態様によれば、第１３〜２４態様のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体を備える燃料電池を提供する。
【発明の効果】
【００３８】
本発明の電極−膜−枠接合体の製造方法では、電解質膜の周縁部の第１の主面側に予め成形された第１成形体を配置するとともに、電解質膜の周縁部の第２の主面側に予め成形された第２成形体を配置するようにしている。また、第３成形体が、電解質膜の厚み方向から見て第２成形体の外縁部よりも内側に位置する電解質膜の主面の内側領域に直接接しないようにしている。すなわち、発電部の近くにおいて、高温及び高圧の熱可塑性樹脂が触媒層に直接接触することが無いようにしている。これにより、高分子電解質膜の劣化を抑えることができ、発電性能の低下を抑えることができる。【００３９】
また、本発明の電極−膜−枠接合体の製造方法によれば、第３成形体を射出成形することによって、第１成形体と第２成形体とを一体化するようにしているので、枠体とＭＥＡとの密着性を高めることができる。【００４０】
また、本発明の電極−膜−枠接合体によれば、枠体を３つの成形体より構成し、第３成形体により第１成形体と第２成形体とを一体的に接続するようにしているので、第１成形体と第２成形体とを射出成形する必要性を無くすことができる。これにより、高分子電解質膜の劣化を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施の形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
【図１】図１は、本発明の第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を有する燃料電池の構造を、一部を分解して模式的に示す斜視図であり、
【図２】図２は、図１のII−II線断面におけるセルの積層断面を、一部を分解して示す図であり、
【図３】図３は、図１の電極−膜−枠接合体の構成を模式的に示す平面図であり、
【図４】図４は、図３のIV−IV線断面図であり、
【図５】図５は、図１の電極−膜−枠接合体のアノードセパレータ側の表面構造を示す平面図であり、
【図６】図６は、図１の電極−膜−枠接合体のカソードセパレータ側の表面構造を示す平面図であり、
【図７Ａ】図７Ａは、図１の電極−膜−枠接合体の製造工程を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａに続く工程を示す模式断面図であり、
【図７Ｃ】図７Ｃは、図７Ｂに続く工程を示す模式断面図であり、
【図８Ａ】図８Ａは、図７Ａ〜図７Ｃに示す電極−膜−枠接合体の製造工程とは別の製造工程を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図８Ｂ】図８Ｂは、図８Ａに続く工程を示す模式断面図であり、
【図８Ｃ】図８Ｃは、図８Ｂに続く工程を示す模式断面図であり、
【図８Ｄ】図８Ｄは、図８Ｃに続く工程を示す模式断面図であり、
【図９】図９は、本発明の第２実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図１０】図１０は、本発明の第３実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図１１】図１１は、本発明の第４実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図１２】図１２は、本発明の第５実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図１３】図１３は、本発明の第６実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図１４】図１４は、第１触媒層と第２触媒層とが短絡した状態を示す模式断面図であり、
【図１５】図１５は、本発明の第７実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図１６】図１６は、本発明の第８実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図１７】図１７は、本発明の第９実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図１８】図１８は、本発明の第１０実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図１９】図１９は、本発明の第１１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図２０】図２０は、本発明の第１２実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の構成を模式的に示す平面図であり、
【図２１】図２１は、図２０のVI−VI線断面図であり、
【図２２Ａ】図２２Ａは、本発明の第１２実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の製造工程を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図２２Ｂ】図２２Ｂは、図２２Ａに続く工程を示す模式断面図であり、
【図２２Ｃ】図２２Ｃは、図２２Ｂに続く工程を示す模式断面図であり、
【図２３】図２３は、本発明の第１３実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の構成を模式的に示す平面図であり、
【図２４】図２４は、図２３のVIII−VIII線断面図であり、
【図２５】図２５は、本発明の第１４実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図２６Ａ】図２６Ａは、従来の電極−膜−枠接合体の製造工程を、ＭＥＡと枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図であり、
【図２６Ｂ】図２６Ｂは、図２６Ａに続く工程を示す模式断面図であり、
【図２６Ｃ】図２６Ｃは、図２６Ｂに続く工程を示す模式断面図であり、
【図２７】図２７は、本発明の第１５態様にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図２８】図２８は、本発明の第１６態様にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４３】
《第１実施形態》
図１〜図５を用いて、本発明の第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を有する燃料電池の構造を説明する。図１は、本第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を有する燃料電池の構造を、一部を分解して模式的に示す斜視図である。図２は、図１のII−II線断面におけるセルの積層断面を、一部を分解して示す図である。図３は、図１の電極−膜−枠接合体の構成を模式的に示す平面図であり、図４は、図３のIV−IV線断面図である。図５は、図１の電極−膜−枠接合体のアノードセパレータ側の表面構造を示す平面図であり、図６は、カソードパレータ側の表面構造を示す平面図である。
【００４４】
本第１実施形態にかかる燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる高分子電解質形燃料電池である。なお、本発明は高分子電解質形燃料電池に限定されるものではなく、種々の燃料電池に適用可能である。
【００４５】
図１に示すように、燃料電池は、基本単位構成であるセル（単電池モジュール）１０を複数個（例えば６０個）積層させて構成されている。なお、図示していないが、積層されたセル１０群の両端部には、集電板、絶縁板、及びエンドプレートが取り付けられ、締結ボルトがボルト孔４を挿通されナットで固定されることにより、所定の締結力（例えば１０ｋＮ）で締結されている。
【００４６】
セル１０は、電極−膜−枠接合体１を、一対の導電性のセパレータであるアノードセパレータ２及びカソードセパレータ３で挟んで構成されている。電極−膜−枠接合体１は、膜電極接合体５（以下、ＭＥＡという）と、ＭＥＡ５の周縁部５Ｅを封止保持するように形成された枠体６とを備えている。
【００４７】
ＭＥＡ５は、図２に示すように、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜５Ａと、当該電解質膜５Ａの両面に形成された一対の第１及び第２電極層５Ｄ１，５Ｄ２（すなわち、アノードとカソードの電極層）とで構成されている。第１電極層５Ｄ１は、第１触媒層５Ｂ１と、第１ガス拡散層５Ｃ１との２層構造で構成されている。同様に、第２電極層５Ｄ２は、第２触媒層５Ｂ２と、第２ガス拡散層５Ｃ２との２層構造で構成されている。第１ガス拡散層５Ｃ１は、第１触媒層５Ｂ１よりも外形サイズが小さく、第１触媒層５Ｂ１の周縁部が露出するように第１触媒層５Ｂ１の主面に配置されている。これにより、第１触媒層５Ｂ１の周縁部は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部の外側に位置している。同様に、第２ガス拡散層５Ｃ２は、第２触媒層５Ｂ２よりも外形サイズが小さく、第２触媒層５Ｂ２の周縁部が露出するように第２触媒層５Ｂ２の主面に配置されている。これにより、第２触媒層５Ｂ２の周縁部は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部の外側に位置している。
【００４８】
高分子電解質膜５Ａは、プロトン導電性を示す固体高分子材料、例えば、パーフルオロスルホン酸膜（デュポン社製ナフィオン膜）で構成されている。第１及び第２触媒層５Ｂ１，５Ｂ２は、例えば白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とした多孔質な部材であり、高分子電解質膜５Ａの表面に形成されている。第１及び第２ガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２は、燃料ガス又は酸化剤ガスの通気性と電子伝導性の両方を有し、第１及び第２触媒層５Ｂ１，５Ｂ２の表面に形成されている。
【００４９】
第１及び第２ガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２としては、例えば、基材として炭素繊維を用いず、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分として構成された多孔質部材を用いることができる。また、第１及び第２ガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２としては、例えば、ガス透過性を持たせるために、カーボン織布又はカーボン不織布等を用いて作製された、多孔質構造を有する導電性基材を用いることができる。この場合、充分な排水性を得る観点から、フッ素樹脂に例示される撥水性高分子などを第１ガス拡散層５Ｃ１及び／又は第２ガス拡散層５Ｃ２中に分散させてもよい。また、膜電極接合体５における水管理を容易に、かつ、確実に行うという観点から、第１ガス拡散層５Ｃ１の第１触媒層５Ｂ１側の主面及び／又は第２ガス拡散層５Ｃ２の第２触媒層５Ｂ２側の主面に、撥水性高分子とカーボン粉末とで構成される撥水カーボン層を設けてもよい。
【００５０】
枠体６は、図３及び図４に示すように、第１成形体６１と第２成形体６２と第３成形体６３の３つの額縁状部材で構成されている。第１成形体６１は、第１ガス拡散層５Ｃ１に近接して第１触媒層５Ｂ１の周縁部上に配置されている。すなわち、第１成形体６１は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部より外側に配置されている。これにより、第１成形体６１の少なくとも内縁部は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１触媒層５Ｂ１の周縁部と重なるように位置している。第２成形体６２は、第２ガス拡散層５Ｃ２に近接して第２触媒層５Ｂ２の周縁部上に配置されている。すなわち、第２成形体６２は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部より外側に配置されている。これにより、第２成形体６２の少なくとも内縁部は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第２触媒層５Ｂ２の周縁部と重なるように位置している。第３成形体６３は、ＭＥＡ５の周縁部の周りにおいて第１成形体６１と第２成形体６２とを一体的に接続するように構成されている。
【００５１】
第１成形体６１と第２成形体６２と第３成形体６３とは、樹脂材料の一例である熱可塑性樹脂を用いて射出形成にて形成されている。第１成形体６１と第２成形体６２とは、第１触媒層５Ｂ１又は第２触媒層５Ｂ２に配置される前に、予め射出成形されている。このため、第１及び第２成形体６１，６２を構成する熱可塑性樹脂の一部は、多孔質である第１触媒層５Ｂ１及び第２触媒層５Ｂ２に混在しないようになっている。これに対して、第３成形体６３は、第１及び第２成形体６１，６２の第１及び第２触媒層５Ｂ１，５Ｂ２への配置後において、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第３成形体６３と第２触媒層５Ｂ２の周縁部の一部とが重なるように射出成形されている。好ましくは、第３成形体６３を構成する熱可塑性樹脂の一部が、射出成形時に溶融して多孔質である第２触媒層５Ｂ２に流れ込むことにより、第２触媒層５Ｂ２の周縁部の一部に混在するようにする。この第３成形体６３により（アンカー効果により）、枠体６とＭＥＡ５との密着性が向上している。なお、枠体６とＭＥＡ５との密着性を向上させる観点においては、第３成形体６３と第２触媒層５Ｂ２との面方向の接触幅Ｗ１を１ｍｍ以上とすることが好ましい。
【００５２】
なお、第２触媒層５Ｂ２の周縁部の主面の全周が露出するように第２触媒層５Ｂ２の周縁部上に第２成形体６２を配置し、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て第３成形体６３の一部と前記露出する第２触媒層５Ｂ２の周縁部の全周とが重なるように、第３成形体６３を射出成形することが好ましい。この構成により、第３成形体６３を構成する熱可塑性樹脂の一部が第２触媒層５Ｂ２の周縁部の全周に混在するようにでき、第２触媒層５Ｂ２の周縁部の全周にわたって枠体６とＭＥＡ５との密着性を高めることができる。また、これにより、第２触媒層５Ｂ２の周縁部を通って、第１触媒層５Ｂ１と第２触媒層５Ｂ２との間で燃料ガス及び酸化剤ガスがリークすることを抑制することができる。
【００５３】
なお、第１及び第２成形体６１,６２の射出成形に用いる熱可塑性樹脂は、燃料電池の運転温度以下において、化学的に清浄且つ安定であって、適度の弾性率と比較的高い荷重たわみ温度を有するものであることが好ましい。例えば、後述するアノードセパレータ２及びカソードセパレータ３の燃料ガス流路溝２１及び酸化剤ガス流路溝３１の幅がそれぞれ１〜２ｍｍ程度、且つ枠体６の厚みが略１ｍｍ以下である場合、前記熱可塑性樹脂の圧縮弾性率は少なくとも２，０００ＭＰａ以上であることが好ましい。ここで、弾性率とは、ＪＩＳ−Ｋ７１８１に定める圧縮弾性率測定法によって計測された圧縮弾性率を言う。また、燃料電池の運転温度は一般的には９０℃以下なので、前記熱可塑性樹脂の荷重たわみ温度は１２０℃以上であることが好ましい。
【００５４】
また、第１及び第２成形体６１，６２に用いる熱可塑性樹脂は、化学的安定性の観点から、非晶性樹脂ではなく結晶性樹脂であることが好ましく、その中でも機械的強度が大きく且つ耐熱性が高い樹脂であることが好ましい。例えば、前記熱可塑性樹脂として、いわゆるスーパーエンジニアリングプラスチックグレードのもの、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）などが好適である。これらは、数千から数万ＭＰａの圧縮弾性率と、１５０℃以上の荷重たわみ温度を有しており、好適な材料である。また、汎用されている樹脂材料であっても、例えばガラスフィラーが充填されたポリプロピレン（ＧＦＰＰ）等は、非充填のポリプロピレン（圧縮弾性率１，０００〜１，５００ＭＰａ）の数倍の弾性率を有し且つ１５０℃近い荷重たわみ温度を有しているので、前記熱可塑性樹脂として好適に使用することができる。
【００５５】
また、第３成形体６３は、上述の第１及び第２成形体６１，６２と同様の樹脂材料を用いることができる。この場合、同質の材料同士を接合する方が異質の材料同士を接合するよりも接合力は強いため、第３成形体６３を射出成形して枠体を一体的に接続することが容易になる。
また、第３成形体６３は、第１成形体６１及び第２成形体６２よりも圧縮弾性率の低い材料で構成されていてもよい。この場合、第１成形体６１及び第２成形体６２を圧縮弾性率の低い材料で接続することにより、例えば、ハンドリング時に高分子電解質膜５Ａにかかる機械的なストレスを低減できるため、高分子電解質膜５Ａの機械的劣化を抑制できる。第３成形体６３の好適な材料としては、例えば、後述するガスケット７に用いられる熱可塑性樹脂又は熱可塑性エラストマーと同様の材料を用いることができ、例えば、ガラスフィラーが充填されていないポリプロピレンを用いることができる。
【００５６】
枠体６の両主面には、図２に示すように、溝部６Ａが形成され、当該溝部６Ａにガスケット７が嵌合されている。電極−膜−枠接合体１は、アノードセパレータ２とカソードセパレータ３とにガスケット７を介して挟持されている。ガスケット７は、弾性体で構成され、セル１０の締結時にアノードセパレータ２及びカソードセパレータ３が電極−膜−枠接合体１に向けて押圧されることによって変形し、ＭＥＡ５の周囲をシールする。このガスケット７の具体的構成については、後で詳しく説明する。
【００５７】
アノードセパレータ２及びカソードセパレータ３は、概ね平板状に形成されている。アノードセパレータ２及びカソードセパレータ３の電極−膜−枠接合体１と接触する側の面(すなわち内面）には、電極−膜−枠接合体１の形状、より具体的には枠体６とＭＥＡ５との厚みの違いによる段差に対応するように、段差２５，３５が形成されている。すなわち、アノードセパレータ２及びカソードセパレータ３の内面は、中央部が台形状に突出するように形成されている。
【００５８】
アノードセパレータ２及びカソードセパレータ３は、ガス不透過性の導電性材料で構成されている。アノードセパレータ２及びカソードセパレータ３として、例えば、樹脂含浸カーボン材料を所定形状に切削したもの、あるいは、カーボン粉末と樹脂材料の混合物を成形したものなどを用いることができる。
【００５９】
アノードセパレータ２、カソードセパレータ３、及び枠体６には、それぞれ、図１に示すように、燃料ガスが流通する一対の貫通孔である燃料ガスマニホールド孔１２，２２，３２が設けられている。また、アノードセパレータ２、カソードセパレータ３、及び枠体６には、それぞれ、図１に示すように、酸化剤ガスが流通する一対の貫通孔である酸化剤ガスマニホールド孔１３，２３，３３が設けられている。アノードセパレータ２、カソードセパレータ３、及び枠体６が、セル１０として締結された状態では、燃料ガスマニホールド孔１２，２２，３２が連結され、燃料ガスマニホールドが形成される。同様に、アノードセパレータ２、カソードセパレータ３、及び枠体６が、セル１０として締結された状態では、酸化剤ガスマニホールド孔１３，２３，３３が連結され、酸化剤ガスマニホールドが形成される。
【００６０】
また、アノードセパレータ２、カソードセパレータ３、及び枠体６には、図１に示すように、冷却媒体（例えば、純水やエチレングリコール）が流通するそれぞれ二対の貫通孔である冷却媒体マニホールド孔１４，２４，３４が設けられている。これによって、アノードセパレータ２、カソードセパレータ３、及び枠体６が、セル１０として締結された状態では、これらの冷却媒体マニホールド孔１４，２４，３４が連結され、二対の冷却媒体マニホールドが形成される。
【００６１】
また、アノードセパレータ２、カソードセパレータ３、及び枠体６には、図１に示すように、それぞれの角部近傍に４つのボルト孔４が設けられている。各ボルト孔４に締結ボルトが挿通され、当該締結ボルトにナットが結合することによってセル１０が締結される。
【００６２】
アノードセパレータ２の内側の主面（電極−膜−枠接合体１側の面）には、一対の燃料ガスマニホールド孔２２，２２間を結ぶように燃料ガス流路溝２１が設けられている。燃料ガス流路溝２１は、セル１０の組立状態において第１ガス拡散層５Ｃ１に当接する表面に形成された第１ガス拡散層当接部２１Ａと、当該当接部２１Ａと燃料ガスマニホールド孔２２とをつなぐ連絡部（連絡用流路溝）２１Ｂとを有するように構成されている。これにより、燃料ガスが、供給側の燃料ガスマニホールド２２から供給側の連結部２１Ｂを通じて第１ガス拡散層当接部２１Ａに流入し、第１ガス拡散層５Ｃ１に接触するようになっている。また、第１ガス拡散層当接部２１Ａを通過した燃料ガスの余剰のガスや反応生成成分は、排出側の連結部２１Ｂを通じて排出側の燃料ガスマニホールド２２に排出されるようになっている。なお、図４において、一点破線は、セル１０の組立状態において、燃料ガス流路溝２１が枠体６と当接又は対向する位置を示している。
【００６３】
また、カソードセパレータ３の内側の主面（電極−膜−枠接合体１側の面）には、一対の酸化剤ガスマニホールド孔３３，３３間を結ぶように酸化剤ガス流路溝３１が設けられている。酸化剤ガス流路溝３１は、セル１０の組立状態において第２ガス拡散層５Ｃ２に当接する表面に形成された第２ガス拡散層当接部３１Ａと、当該当接部３１Ａと酸化剤ガスマニホールド孔３３とをつなぐ連絡部（連絡用流路溝）３１Ｂとを有するように構成されている。これにより、酸化剤ガスが、供給側の酸化剤ガスマニホールド３２から供給側の連結部３１Ｂを通じて第２ガス拡散層当接部３１Ａに流入し、第２ガス拡散層５Ｃ２に接触するようになっている。また、第２ガス拡散層当接部３１Ａを通過した酸化剤ガスの余剰のガスや反応生成成分は、排出側の連結部３１Ｂを通じて排出側の酸化剤ガスマニホールド３２に排出されるようになっている。なお、図６において、一点破線は、セル１０の組立状態において、酸化剤ガス流路溝３１が当接又は対向する位置を示している。
【００６４】
前記のようにして、燃料ガス流路溝２１を流通する燃料ガスが第１ガス拡散層５Ｃ１に接触するとともに、酸化剤ガス流路溝３１を流通する酸化剤ガスが第２ガス拡散層５Ｃ２に接触することにより、燃料電池の電気化学反応が生じる。これにより、電力と熱とが同時に発生する。
【００６５】
アノードセパレータ２及びカソードセパレータ３の外側の主面（背面）には、図２に示すように、それぞれ冷却媒体流路溝５０が形成されている。冷却媒体流路溝５０は、二対の冷却媒体マニホールド孔２４，３４間を結ぶように形成されている。すなわち、冷却媒体がそれぞれ供給側の冷却媒体マニホールドから冷却媒体流路溝５０に分岐して、それぞれ排出側の冷却媒体マニホールドに流通するように構成されている。これにより、冷却媒体の伝熱能力を利用して、セル１０を電気化学反応に適した所定の温度に保つことができる。
【００６６】
なお、各孔及び各溝は、例えば、切削加工、成形加工により形成することができる。また、前記燃料ガスマニホールド、酸化剤ガスマニホールド、及び冷却媒体マニホールドは、前記構成に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、各マニホールドを、いわゆる外部マニホールド構造としてもよい。なお、図３及び図４では、各孔の図示を省略している。
【００６７】
ガスケット７は、一対の燃料ガスマニホールド孔１２と、一対の酸化剤ガスマニホールド孔１３と、二対の冷却媒体マニホールド孔１４とを包囲し、且つ、ＭＥＡ５の第１及び第２ガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２を包囲する環状部７Ａを備えている。図５に示すようにアノードセパレータ２側では、燃料ガス流路溝２１の連絡部２１Ｂに対応する位置を除いて、燃料ガスマニホールド孔１２とＭＥＡ５とを一体的に包囲するように環状部７Ａが形成されている。また、図６に示すようにカソードセパレータ３側では、酸化剤ガス流路溝３１の連絡部３１Ｂに対応する位置を除いて、酸化剤ガスマニホールド孔１３とＭＥＡ５とを一体的に包囲するように環状部７Ａが形成されている。これにより、燃料ガス流路溝２１及び酸化剤ガス流路溝３１外への燃料ガス及び酸化剤ガスの流出が防止されている。
【００６８】
また、図２に示すように、ガスケット７の環状部７Ａの頂面には、リブ７Ｂが形成されている。このリブ７Ｂは、セル１０の組立状態において、アノードセパレータ２又はカソードセパレータ３に当接して押し潰される。この結果、セル１０の締結力がリブ７Ｂの部分に集中することとなり、各マニホールド孔１２，１３，１４及びＭＥＡ５の周囲がより確実にシールされる。すなわち、リブ７Ｂにより、ガスケット７のシールをより確実にすることができる。これにより、各マニホールド孔１２，１３，１４を通過する流体は、マニホールド孔１２，１３，１４からの漏れが防止され高圧となる。
【００６９】
なお、最も第１及び第２ガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２の近くに位置するリブ７Ｂ，７Ｂは、高分子電解質膜５Ａの外縁よりも第１及び第２ガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２の近くに位置していることが好ましい。このような構成により、セル１０の組立状態における前記締結力によって、互いに対向するリブ７Ｂ，７Ｂが枠体６を介してＭＥＡ５の周縁部５Ｅを挟持し、ＭＥＡ５の周縁部５Ｅと枠体６との密着性及び接合力を強化することができる。
【００７０】
また、ガスケット７は、樹脂材料の一例である熱可塑性樹脂又は熱可塑性エラストマーで構成されている。当該熱可塑性樹脂又は熱可塑性エラストマーは、燃料電池の運転温度以下において、化学的に安定（特に加水分解を起こさないなど）であり、耐熱水性を有することが好ましい。ガスケット７の圧縮弾性率は、例えば２００ＭＰａ以下であることが好ましい。
【００７１】
ガスケット７の好適な材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン（ＰＰ）、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体（ＥＰＤＭ：Ethylene-Propylene-Diene Methylene linkage）、ポリブチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリウレタン、シリコーン、フッ素樹脂、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、シンジオタクチック・ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリエーテルニトリル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、及び熱可塑性ポリイミドなどからなる群より選ばれる少なくとも１種である。これによって、燃料電池の締結荷重において良好なシール性を確保することができる。本第１実施形態においては、ＰＰ及びＥＰＤＭを有してなるポリオレフィン系熱可塑性エラストマーであるサントプレン８１０１−５５（Advanced Elastomer System社製）を用いている。
【００７２】
アノードセパレータ２及びカソードセパレータ３の外側の主面（背面）には、耐熱性の材質からなるスクイーズドパッキンなどの一般的なシール部材９が各マニホールド孔の周囲に配設されている。これによって、互いに近接するセル１０，１０間において、各マニホールド孔２２，２３，２４，３２，３３，３４の連結部からの燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却媒体の流出が防止されている。
【００７３】
次に、電極−膜−枠接合体１の製造方法について説明する。図７Ａ〜図７Ｃは、電極−膜−枠接合体１の各製造工程を、ＭＥＡ５の周縁部５Ｅと枠体６との接合部分を拡大して示す模式断面図である。ここでは、第１成形体６１及び第２成形体６２は予め射出成形され、ＭＥＡ５は予め作製されているものとする。
【００７４】
まず、図７Ａに示すように、ＭＥＡ５の第１ガス拡散層５Ｃ１に近接して第１触媒層５Ｂ１の周縁部上に第１成形体６１を配置する。すなわち、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部より外側に第１成形体６１を配置する。これにより、第１成形体６１の少なくとも内縁部は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１触媒層５Ｂ１の周縁部と重なるように位置する。
【００７５】
次いで、図７Ｂに示すように、ＭＥＡ５の第２ガス拡散層５Ｃ２に近接して第２触媒層５Ｂ２の周縁部上に第２成形体６２を配置する。すなわち、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部より外側に第２成形体６２を配置する。また、このとき、第２成形体６２は、第２触媒層５Ｂ２の周縁部の主面の一部が露出するように配置する。これにより、第２成形体６２の少なくとも内縁部は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第２触媒層５Ｂ２の周縁部と重なるように位置する。
【００７６】
次いで、図７Ｃに示すように、ＭＥＡ５の周縁部５Ｅの周りにおいて、一対の金型Ｔ１で第１成形体６１と第２成形体６２とを挟み、一対の金型Ｔ１内に形成された第１成形体６１と第２成形体６２との隙間に溶融した熱可塑性樹脂を流し込んで、第３成形体６３を射出成形する。これにより、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第３成形体６３の一部が第２触媒層５Ｂ２の周縁部の一部と重なる。なお、このとき、好ましくは、前記溶融した熱可塑性樹脂の一部が第２触媒層５Ｂ２の周縁部の主面の一部に混在するようにする。
以上により、図４に示す電極−膜−枠接合体１が製造される。
【００７７】
本第１実施形態においては、第１ガス拡散層５Ｃ１に近接して第１触媒層５Ｂ１の周縁部上に予め成形された第１成形体６１を配置するとともに、第２ガス拡散層５Ｃ２に近接して第２触媒層５Ｂ２の周縁部上に予め成形された第２成形体６２を配置するようにしている。また、第３成形体６３が、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て第２成形体６２の外縁部６２−１よりも内側に位置する高分子電解質膜５Ａの（第２の）主面の内側領域に直接接しないようにしている。すなわち、発電部の近くにおいて、高温及び高圧の熱可塑性樹脂が高分子電解質膜５Ａに直接接触することが無いようにしている。これにより、高分子電解質膜５Ａの劣化を抑えることができ、発電性能の低下を抑えることができる。ここで、発電部とは、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１ガス拡散層５Ｃ１及び第２ガス拡散層５Ｃ２が互いに重なる部分をいう。
【００７８】
また、本第１実施形態によれば、第３成形体６３を射出成形することによって、第１成形体６１と第２成形体６２とを一体化するようにしているので、枠体６とＭＥＡ５との密着性を高めることができる。
【００７９】
また、本第１実施形態によれば、枠体６を３つの成形体（第１〜３成形体６１，６２，６３）より構成し、第３成形体６３により第１成形体６１と第２成形体６２とを一体的に接続するようにしているので、第１成形体６１と第２成形体６２とを射出成形する必要性を無くすことができる。これにより、高分子電解質膜５Ａの劣化を抑えることができる。
【００８０】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、前記では、第１成形体６１と第２成形体６２とを同じ樹脂材料で構成したが、互いに硬度が異なるように、異なる材料で構成されてもよい。例えば、第１成形体６１を硬い材料（例えば、熱可塑性樹脂）で構成し、第２成形体６２を柔らかい材料（例えば、熱可塑性エラストマー）で構成してもよい。この場合、第１成形体６１が硬い部材であることにより、電極−膜−枠接合体１としての形状を保持（維持）することができる。すなわち、電極−膜−枠接合体１の撓みや折れ曲がりなどを抑えることができる。一方、第２成形体６２が柔らかい部材（弾性体）であることにより、セル１０の締結時に高分子電解質膜５Ａにかかる締結圧を緩和することができ、高分子電解質膜５Ａの機械的劣化を抑えることができる。
【００８１】
また、同質の材料同士を接合する方が異質の材料同士を接合するよりも接合力は強い。このため、例えば、第１成形体６１及び／又は第２成形体６２を、熱可塑性樹脂層と熱可塑性エラストマー層とを含む複層構造としてもよい。この場合、熱可塑性樹脂層によって第３成形体６３との接合性を高めることができるとともに、熱可塑性エラストマー層によってセル１０の締結時にＭＥＡ５にかかる締結圧を緩和することができる。なお、締結圧の緩和の観点においては、熱可塑性エラストマー層が第１触媒層５Ｂ１及び／又は第２触媒層５Ｂ２と接触するように構成されることが好ましい。
【００８２】
また、本第１実施形態では、第１成形体６１をアノード側に配置するとともに、第２成形体６２をカソード側に配置したが、第１成形体６１をカソード側に配置するとともに、第２成形体６２をアノード側に配置してもよい。
【００８３】
本第１実施形態では、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１触媒層５Ｂ１の周縁部が全周にわたって第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部より外側に配置され、第２触媒層５Ｂ２の周縁部が全周にわたって第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部より外側に配置されるようにしている。このように構成することで、第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部近傍において、第１枠体６１の内縁部と高分子電解質膜５Ａとが直接接触せず、第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部近傍において、第２枠体６２の内縁部と高分子電解質膜５Ａとが直接接触しない。このため、高分子電解質膜５Ａにかかる機械的ストレスを低減し、高分子電解質膜５Ａの劣化を抑制できる。なお、上述の効果を奏する範囲であれば、例えば、第１触媒層５Ｂ１の周縁部の一部が第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部より内側に配置されるようにしてもよく、第２触媒層５Ｂ２の周縁部の一部が第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部より内側に配置されるようにしてもよい。
【００８４】
なお、本第１実施形態では、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１成形体６１の少なくとも内縁部は、第１触媒層５Ｂ１の周縁部と重なるように位置するように配置したが、本発明はこれに限定されない。例えば、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１成形体６１の少なくとも内縁部は、高分子電解質膜５Ａの周縁部と重なるように、高分子電解質膜５Ａの一方の主面側に配置してもよい。また、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第２成形体６２の少なくとも内縁部は、第２触媒層５Ｂ２の周縁部と重なるように位置するように配置したが、本発明はこれに限定されない。例えば、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第２成形体６２の少なくとも内縁部は、高分子電解質膜５Ａの周縁部と重なるように、高分子電解質膜５Ａの他方の主面側に配置してもよい。このような構成にしても、発電部の近くにおいて、高温及び高圧の熱可塑性樹脂が高分子電解質膜５Ａに直接接触することが無いため、高分子電解質膜５Ａの劣化を抑えることができる。
【００８５】
なお、本第１実施形態では、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１触媒層５Ｂ１の周縁部が全周にわたって第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部より外側に配置され、第２触媒層５Ｂ２の周縁部が全周にわたって第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部より外側に配置されるようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１触媒層５Ｂ１の周縁部が第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部より内側に配置されるようにしてもよく、第１触媒層５Ｂ１と第１ガス拡散層５Ｃ１とが同じ大きさであってもよい。例えば、第２触媒層５Ｂ２の周縁部が第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部より内側に配置されるようにしてもよく、第２触媒層５Ｂ２と第２ガス拡散層５Ｃ２とが同じ大きさであってもよい。このような構成にしても、発電部の近くにおいて、高温及び高圧の熱可塑性樹脂が高分子電解質膜５Ａに直接接触することが無いため、高分子電解質膜５Ａの劣化を抑えることができる。
【００８６】
なお、本第１実施形態では、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部と第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部とが一致するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部と第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部とは、高分子電解質膜５Ａの面方向にずれて配置されてもよい。
【００８７】
なお、本第１実施形態では、電極−膜−枠接合体１の製造の際、ＭＥＡ５は予め作製されているものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、電極−膜−枠接合体１は、図８Ａ〜図８Ｄに示すようにして製造することもできる。図８Ａ〜図８Ｄは、電極−膜−枠接合体１の各製造工程を、ＭＥＡ５の周縁部５Ｅと枠体６との接合部分を拡大して示す模式断面図である。ここでは、第１成形体６１及び第２成形体６２は予め射出成形されているものとする。
【００８８】
まず、図８Ａに示すように、ＭＥＡ５の第１触媒層５Ｂ１の周縁部上に第１成形体６１を配置する。これにより、第１成形体６１の少なくとも内縁部は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１触媒層５Ｂ１の周縁部と重なるように位置する。
【００８９】
次いで、図８Ｂに示すように、ＭＥＡ５の第２触媒層５Ｂ２の周縁部上に第２成形体６２を配置する。これにより、第２成形体６２の少なくとも内縁部は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第２触媒層５Ｂ２の周縁部と重なるように位置する。また、このとき、第２成形体６２は、第２触媒層５Ｂ２の周縁部の主面の一部が露出するように配置する。
【００９０】
次いで、図８Ｃ及び図８Ｄに示すように、ＭＥＡ５の周縁部５Ｅの周りにおいて、一対の金型Ｔ１で第１成形体６１と第２成形体６２とを挟み、一対の金型Ｔ１内に形成された第１成形体６１と第２成形体６２との隙間に溶融した熱可塑性樹脂を流し込んで、第３成形体６３を射出成形する。これにより、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第３成形体６３の一部が第２触媒層５Ｂ２の周縁部の一部と重なる。なお、このとき、好ましくは、前記溶融した熱可塑性樹脂の一部が第２触媒層５Ｂ２の周縁部の主面の一部に混在するようにする。
【００９１】
その後、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１成形体６１の内縁部より内側に第１ガス拡散層５Ｃ１を配置し、第２成形体６２の内縁部より内側に第２ガス拡散層５Ｃ２を配置する。
以上により、図４に示す電極−膜−枠接合体１が製造される。
【００９２】
《第２実施形態》
図９は、本発明の第２実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。本第２実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ａが前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１と異なる点は、第３成形体６３ａが第２触媒層５Ｂ２の周縁部の主面と接触していない点である。
【００９３】
本第２実施形態によれば、射出成形する第３成形体６３ａが高分子電解質膜５Ａの周縁部の主面と接触していないので、前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１よりも高分子電解質膜５Ａの劣化を抑えることができる。
【００９４】
なお、本第２実施形態では、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１触媒層５Ｂ１の周縁部が全周にわたって第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部より外側に配置され、第２触媒層５Ｂ２の周縁部が全周にわたって第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部より外側に配置されるようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１触媒層５Ｂ１の周縁部が第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部より内側に配置されるようにしてもよく、第１触媒層５Ｂ１と第１ガス拡散層５Ｃ１とが同じ大きさであってもよい。また、例えば、第２触媒層５Ｂ２の周縁部が第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部より内側に配置されるようにしてもよく、第２触媒層５Ｂ２と第２ガス拡散層５Ｃ２とが同じ大きさであってもよい。このような構成にしても、発電部の近くにおいて、高温及び高圧の熱可塑性樹脂が高分子電解質膜５Ａに直接接触することが無いため、高分子電解質膜５Ａの劣化を抑えることができる。
【００９５】
《第３実施形態》
図１０は、本発明の第３実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。本第３実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｂが前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１と異なる点は、前記第２実施形態と同様に、第３成形体６３ｂが第２触媒層５Ｂ２の周縁部の主面と接触していない点である。
【００９６】
本第３実施形態によれば、前記第２実施形態と同様に、射出成形する第３成形体６３ｂが高分子電解質膜５Ａの周縁部の主面と接触していないので、前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１よりも高分子電解質膜５Ａの劣化を抑えることができる。
【００９７】
《第４実施形態》
図１１は、本発明の第４実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。本第４実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｃが前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１と異なる点は、第３成形体６３ｃが第２触媒層５Ｂ２の周縁部の主面と接触しておらず、第３成形体６３ｃが第１触媒層５Ｂ１側に回り込んで第１触媒層５Ｂ１の周縁部の主面の一部と接触するように形成されている点である。
【００９８】
本第４実施形態によれば、射出成形する第３成形体６３ｃを構成する熱可塑性樹脂の一部が、射出成形時に溶融して多孔質である第１触媒層５Ｂ１に流れ込むことにより、第１触媒層５Ｂ１の周縁部の一部に混在するようにする。この第３成形体６３ｃにより（アンカー効果により）、第１実施形態と同様に、枠体６とＭＥＡ５との密着性が向上している。
【００９９】
なお、第１触媒層５Ｂ１の周縁部の主面の全周が露出するように第１触媒層５Ｂ１の周縁部上に第１成形体６１を配置し、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第３成形体６３の一部と前記露出する第１触媒層５Ｂ１の周縁部の全周とが重なるように、第３成形体６３を射出成形することが好ましい。この構成により、第３成形体６３ｃを構成する熱可塑性樹脂の一部が、第１触媒層５Ｂ１の周縁部の全周に混在するようにでき、第１触媒層５Ｂ１の周縁部の全周にわたって枠体６とＭＥＡ５との密着性を高めることができる。また、これにより、第１触媒層５Ｂ１の周縁部を通って、第１触媒層５Ｂ１と第２触媒層５Ｂ２との間で燃料ガス及び酸化剤ガスがリークすることを抑制することができる。
【０１００】
《第５実施形態》
図１２は、本発明の第５実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。本第５実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｄが前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１と異なる点は、第３成形体６３ｄが第１触媒層５Ｂ１側に回り込んで第１触媒層５Ｂ１の周縁部の主面の一部と接触するように形成されている点である。
【０１０１】
本第５実施形態によれば、第１及び第２触媒層５Ｂ１，５Ｂ２の周縁部の主面の一部と第３成形体６３ｃとが接触しているため、枠体６とＭＥＡ５との密着性をより向上することができる。
【０１０２】
《第６実施形態》
図１３は、本発明の第６実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。本第６実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｅが前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１と異なる点は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜５Ａの周縁部より第１触媒層５Ｂ１の周縁部が内側に形成されている点である。
【０１０３】
前記第１実施形態では、例えば図４に示すように、第１触媒層５Ｂ１及び第２触媒層５Ｂ２が高分子電解質膜５Ａの両主面の全体に設けられるものとしている。このような構造は、例えば、大きなサイズの高分子電解質膜の両主面の全体に触媒層を形成した後、所望のサイズに高分子電解質膜を切断することで実現することができる。しかしながら、この場合、前記切断した際に、図１４に示すように第１触媒層５Ｂ１と第２触媒層５Ｂ２とが短絡してしまうおそれがある。
【０１０４】
これに対して、本第６実施形態においては、第１触媒層５Ｂ１を高分子電解質膜５Ａの全面に形成せず、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜５Ａの周縁部より第１触媒層５Ｂ１の周縁部が内側に配置されるように構成している。これにより、第１触媒層５Ｂ１と第２触媒層５Ｂ２との短絡不良を防止することができる。
【０１０５】
なお、本第６実施形態では、第１触媒層５Ｂ１を高分子電解質膜５Ａの全面に形成せず、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜５Ａの周縁部より第１触媒層５Ｂ１の周縁部が内側に配置されるように構成したが、これに限定されない。例えば、第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１において、第２触媒層５Ｂ２を高分子電解質膜５Ａの全面に形成せず、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜５Ａの周縁部より第２触媒層５Ｂ２の周縁部が内側に配置されるように構成してもよい。
【０１０６】
《第７実施形態》
図１５は、本発明の第７実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。本第７実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｆが前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１と異なる点は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜５Ａの周縁部より第１触媒層５Ｂ１及び第２触媒層５Ｂ２の周縁部が内側に形成されている点である。また、第３成形体６３ｆが第１触媒層５Ｂ１側に回り込むように設けられている。
【０１０７】
本第７実施形態によれば、より確実に第１触媒層５Ｂ１と第２触媒層５Ｂ２との短絡不良を防止することができる。
【０１０８】
《第８実施形態》
図１６は、本発明の第８実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。本第８実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｇが前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１と異なる点は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜５Ａの周縁部より第１触媒層５Ｂ１の周縁部が内側に配置され、かつ、第１触媒層５Ｂ１の周縁部と第１成形体６１の内縁部とが重ならないように形成されている点である。
【０１０９】
本第８実施形態によれば、より確実に第１触媒層５Ｂ１と第２触媒層５Ｂ２との短絡不良を防止することができる。また、第１触媒層５Ｂ１の周縁部と第１成形体６１の内縁部とが重ならないため、発電に有効に寄与しない第１触媒層５Ｂ１の量を削減することができる。
【０１１０】
《第９実施形態》
図１７は、本発明の第９実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。本第９実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｈが前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１と異なる点は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜５Ａの周縁部より第２触媒層５Ｂ２の周縁部が内側に配置され、かつ、第２触媒層５Ｂ２の周縁部と第２成形体６２の内縁部とが重ならないように形成されている点である。また、第１触媒層５Ｂ１の周縁部の主面の一部が露出するように形成し、第３成形体６３ｈが第１触媒層５Ｂ１側に回り込むように形成されている。
【０１１１】
本第９実施形態によれば、より確実に第１触媒層５Ｂ１と第２触媒層５Ｂ２との短絡不良を防止することができる。また、第２触媒層５Ｂ２の周縁部と第２成形体６２の内縁部とが重ならないため、発電に有効に寄与しない第２触媒層５Ｂ２の量を削減することができる。
【０１１２】
《第１０実施形態》
図１８は、本発明の第１０実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。本第１０実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｉが前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１と異なる点は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部が第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部より外側に配置され、かつ、第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部と第２成形体６２の内縁部とが重なるように配置されている点である。
【０１１３】
本第１０実施形態によれば、前記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本第１０実施形態によれば、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部と第２成形体６２の内縁部とが重なるように配置されることで、電極−膜−枠接合体１Ｉのハンドリング性（破断防止、変形防止など）を向上させることができる。
【０１１４】
なお、第１成形体６１のように、厚肉部分と薄肉部分とを有する部材を射出成形する場合、薄肉部分の長さが長いと、製造プロセスの難易度が高くなる。このため、図１８に示すように、第１成形体６１ａの薄肉部分の面方向の長さを、前記第１実施形態の第１成形体６１よりも短くすることが好ましい。
【０１１５】
《第１１実施形態》
図１９は、本発明の第１１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。本第１１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｊが前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１と異なる点は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部が第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部より外側に配置され、かつ、第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部と第１成形体６１ｂの内縁部とが重なるように配置されている点である。
【０１１６】
本第１１実施形態によれば、前記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本第１１実施形態によれば、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部と第１成形体６１ａの内縁部とが重なるように配置されることで、電極−膜−枠接合体１Ｉのハンドリング性（破断防止、変形防止など）を向上させることができる。
【０１１７】
《第１２実施形態》
図２０は、本発明の第１２実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の構成を模式的に示す平面図である。図２１は、図２０のVI−VI線断面図である。本第１２実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｋが前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１と異なる点は、第１成形体６１ｃが第２成形体６２と同じ大きさに形成され、それらをつなぐように第３成形体６３ｋが形成されている点である。
【０１１８】
本第１２実施形態によれば、第１成形体６１ｃが第２成形体６２と同じ大きさに形成されているので、それらの作製を一種類の金型で行うことができ、製造コストの削減を図ることができる。
【０１１９】
本第１２実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｋは、次のようにして製造することができる。図２２Ａ〜図２２Ｃは、電極−膜−枠接合体１Ｋの各製造工程を、ＭＥＡ５の周縁部５Ｅと枠体６との接合部分を拡大して示す模式断面図である。ここでは、第１成形体６１ｃ及び第２成形体６２は予め射出成形されており、ＭＥＡ５は予め作製されているものとする。
【０１２０】
まず、図２２Ａに示すように、ＭＥＡ５の第１ガス拡散層５Ｃ１に近接して第１触媒層５Ｂ１の周縁部上に第１成形体６１ｃを配置する。このとき、第１成形体６１ｃは、第１触媒層５Ｂ１の周縁部の主面の一部が露出するように配置する。
【０１２１】
次いで、図２２Ｂに示すように、ＭＥＡ５の第２ガス拡散層５Ｃ２に近接して第２触媒層５Ｂ２の周縁部上に第２成形体６２を配置する。このとき、第２成形体６２は、第２触媒層５Ｂ２の周縁部の主面の一部が露出するように配置する。
【０１２２】
次いで、図２２Ｃに示すように、ＭＥＡ５の周縁部５Ｅの周りにおいて、一対の金型Ｔ２で第１成形体６１ｃと第２成形体６２とを挟み、一対の金型Ｔ２内に形成された隙間に溶融した熱可塑性樹脂を流し込んで、第３成形体６３ｋを射出成形する。このとき、溶融した熱可塑性樹脂の一部が第１触媒層５Ｂ１及び第２触媒層５Ｂ２の周縁部の主面の一部に混在する。
以上により、図２１に示す電極−膜−枠接合体１Ｋが製造される。
【０１２３】
《第１３実施形態》
図２３は、本発明の第１３実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の構成を模式的に示す平面図である。図２４は、図２３のVIII−VIII線断面図である。本第１３実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｌが前記第１３実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｋと異なる点は、第１成形体６１ｃの一部と第２成形体６２の一部とが、第３成形体６３ｌを射出成形する前に一体的に接続されている点である。すなわち、本第１３実施形態においては、第１成形体６１ｃと第２成形体６２とが一体成形されている。
【０１２４】
本第１３実施形態によれば、第１成形体６１ｃと第２成形体６２とを一体成形するようにしているので、製造工数を減らすことができる。
【０１２５】
《第１４実施形態》
図２５は、本発明の第１４実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。本第１４実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｍが前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１と異なる点は、枠体６が第１及び第２ガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２との間に隙間を空けて設けられ、当該隙間を塞ぐようにガスケット７，７から延伸した弾性体の一例である延伸部７Ｃ１，７Ｃ２が設けられている点である。本第１４実施形態において、延伸部７Ｃ１，７Ｃ２を含むガスケット７全体は、発電部の近くにおいて、高温及び高圧の熱可塑性樹脂が高分子電解質膜５Ａに直接接触することが無いような方法で形成されている。例えば、ガスケット７は、予め射出成形された弾性体で構成されている。
【０１２６】
前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１を用いてセル１０を構成した場合には、図２に示されるように、電極−膜−枠接合体１の枠体６及びＭＥＡ５の接合部分の近傍とアノードセパレータ２及びカソードセパレータ３との間に隙間４０が形成される。燃料ガス及び酸化剤ガスは、主に互いに対向する第１及び第２電極層５Ｄ１，５Ｄ２間で電気化学反応するが、当該隙間４０がショートカット用の通路となり、燃料ガス及び酸化剤ガスが第１及び第２電極層５Ｄ１，５Ｄ２に十分に供給されない恐れがある。
【０１２７】
このため、本第１４実施形態では、隙間４０を塞ぐようにガスケット７から延伸部７Ｃ１，７Ｃ２を延伸させている。これにより、燃料ガス及び酸化剤ガスを第１及び第２電極層５Ｄ１，５Ｄ２に十分に供給できる。
【０１２８】
《第１５実施形態》
図２７は、本発明の第１６実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。本第１５実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｎが前記第１４実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｍと異なる点は、延伸部７Ｃ１，７Ｃ２により隙間４０を塞ぐことに代えて、弾性体７１により隙間４０を塞ぐようにした点である。
【０１２９】
弾性体７１は、発電部の近くにおいて、高温及び高圧の熱可塑性樹脂が高分子電解質膜５Ａに直接接触することが無いような方法で形成されている。例えば、弾性体７１は、第１ガス拡散層５Ｃ１と第１成形体６１との間、及び第２ガス拡散層５Ｃ２と第２成形体６２１との間に配置される前に、予め射出成形されている。これにより、燃料ガス及び酸化剤ガスを第１及び第２電極層５Ｄ１，５Ｄ２に十分に供給できるという本第１４実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１３０】
《第１６実施形態》
図２８は、本発明の第１６実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。本第１６実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｐが前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１と異なる点は、第３成形体６３ｐを構成する樹脂材料の一部が第２成形体６２の全部または一部を覆っている点である。このような構成によっても、前記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１３１】
なお、第３成形体６３ｐを構成する樹脂材料の一部を第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部に混在させるように射出成形した場合には、第２ガス拡散層５Ｃ２と第３成形体６３ｐとを強固に固定することができる。また、第２ガス拡散層５Ｃ２と第２成形体６２との間に隙間があったとしても、第３成形体６３ｐによりショートカットなどの不良の発生を抑えることができる。さらに、発電部の近くにおいて、高温及び高圧の熱可塑性樹脂が高分子電解質膜５Ａに直接接触することが無いので、高分子電解質膜５Ａの劣化を抑えることができ、発電性能の低下を抑えることができる。
【０１３２】
なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
本発明にかかる電極−膜−枠接合体及びその製造方法は、高分子電解質膜の劣化を抑えることができるので、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される燃料電池に有用である。【０１３４】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施の形態に関連して充分に記載されているが、この技術に熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【図１】
2011083548.tif 000003
【図２】
2011083548.tif 000004
【図３】
2011083548.tif 000005
【図４】
2011083548.tif 000006
【図５】
2011083548.tif 000007
【図６】
2011083548.tif 000008
【図７Ａ】
2011083548.tif 000009
【図７Ｂ】
2011083548.tif 000010
【図７Ｃ】
2011083548.tif 000011
【図８Ａ】
2011083548.tif 000012
【図８Ｂ】
2011083548.tif 000013
【図８Ｃ】
2011083548.tif 000014
【図８Ｄ】
2011083548.tif 000015
【図９】
2011083548.tif 000016
【図１０】
2011083548.tif 000017
【図１１】
2011083548.tif 000018
【図１２】
2011083548.tif 000019
【図１３】
2011083548.tif 000020
【図１４】
2011083548.tif 000021
【図１５】
2011083548.tif 000022
【図１６】
2011083548.tif 000023
【図１７】
2011083548.tif 000024
【図１８】
2011083548.tif 000025
【図１９】
2011083548.tif 000026
【図２０】
2011083548.tif 000027
【図２１】
2011083548.tif 000028
【図２２Ａ】
2011083548.tif 000029
【図２２Ｂ】
2011083548.tif 000030
【図２２Ｃ】
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【図２３】
2011083548.tif 000032
【図２４】
2011083548.tif 000033
【図２５】
2011083548.tif 000034
【図２６Ａ】
2011083548.tif 000035
【図２６Ｂ】
2011083548.tif 000036
【図２６Ｃ】
2011083548.tif 000037
【図２７】
2011083548.tif 000038
【図２８】
2011083548.tif 000039
【手続補正書】
【提出日】平成23年8月9日(2011.8.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される燃料電池に関し、特に当該燃料電池が備える電極−膜−枠接合体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池（例えば、高分子電解質形燃料電池）は、水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる装置である。
【０００３】
燃料電池は、一般的には複数のセルを積層し、それらをボルトなどの締結部材で加圧締結することにより構成されている。１つのセルは、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane-Electrode-Assemblyという）を一対の板状の導電性のセパレータで挟んで構成されている。ＭＥＡの周縁部は枠体で保持されている。なお、ここでは、前記枠体を備えるＭＥＡを電極−膜−枠接合体という。
【０００４】
電極−膜−枠接合体は、通常、次のようにして形成される（例えば、特許文献１：国際公開番号ＷＯ２００９／０７２２９１号参照）。図２６Ａ〜図２６Ｃは、従来の電極−膜−枠接合体の製造工程を、ＭＥＡと枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図である。
【０００５】
まず、図２６Ａに示すように、金型Ｔ１００Ａ内に溶融した熱可塑性樹脂を流し込むことにより、枠体１０２の一部を構成する一次成形体１０２Ａを射出成形する。
次いで、図２６Ｂに示すように、一次成形体１０２Ａ上にＭＥＡ１０１を配置する。
【０００６】
ここで、ＭＥＡ１０１は、高分子電解質膜１１１と、当該高分子電解質膜１１１の両面に配置された一対の電極層１１２によって構成されている。各電極層１１２は、通常、金属触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする触媒層１１３と、当該触媒層１１３上に配置される多孔質で導電性を有するガス拡散層１１４とで構成されている。
【０００７】
次いで、図２６Ｃに示すように、金型Ｔ１００Ｂ内に溶融した熱可塑性樹脂を流し込むことにより、枠体１０２の他部を構成する二次成形体１０２Ｂを射出成形する。これにより、一次成形体１０２Ａと二次成形体１０２Ｂとが一体化して枠体１０２が形成され、電極−膜−枠接合体が製造される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開番号ＷＯ２００９／０７２２９１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記従来の製造方法では、枠体１０２の二次成形体１０２Ｂを射出成形により形成する。この射出成形では、熱可塑性樹脂を溶融させる必要があるので、金型内に流し込む際の熱可塑性樹脂の温度は、例えば２００度以上の高温となる。二次成形体１０２Ｂを射出成形する際に、高温の熱可塑性樹脂が高分子電解質膜１１１に直接接触する場合、熱可塑性樹脂の熱により高分子電解質膜１１１が劣化（膜厚の減少、強度低下等）するおそれがある。また、触媒層１１３は、通常、金属触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする多孔質な部材で構成されている。高温の熱可塑性樹脂が触媒層１１３に直接接触する場合、高温の熱可塑性樹脂が触媒層１１３を通じて高分子電解質膜１１１に達し、熱可塑性樹脂の熱により高分子電解質膜１１１が劣化（膜厚の減少、強度低下等）するおそれがある。
【００１０】
また、熱可塑性樹脂の金型内への射出圧力は、十分な成形精度を確保するために、一般に、例えばセルの締結圧の１０倍以上の高圧にする必要がある。二次成形体１０２Ｂを射出成形する際に、高圧の熱可塑性樹脂が高分子電解質膜１１１に直接接触する場合、熱可塑性樹脂の圧力により高分子電解質膜１１１が劣化するおそれがある。また、高圧の熱可塑性樹脂が触媒層１１３に直接接触する場合、高圧の熱可塑性樹脂が触媒層１１３を通じて高分子電解質膜１１１に達し、熱可塑性樹脂の圧力により高分子電解質膜１１１が劣化するおそれがある。
【００１１】
高分子電解質膜１１１が劣化すると、燃料電池の発電性能が低下することになる。特に、二次成形体１０２Ｂは発電部に近いので、発電部近傍の高分子電解質膜１１１が劣化することによる発電性能の低下の問題は顕著になる。ここで、発電部とは、高分子電解質膜１１１の厚み方向から見て、一対のガス拡散層１１４，１１４が互いに重なる部分をいう。
【００１２】
従って、本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、高分子電解質膜の劣化を抑えることができる電極−膜−枠接合体及びその製造方法、並びに当該電極−膜−枠接合体を備える燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の第１態様によれば、高分子電解質膜の第１の主面に配置された第１触媒層と、前記第１触媒層の主面に配置された第１ガス拡散層と、前記電解質膜の第２の主面に配置された第２触媒層と、前記第２触媒層の主面に配置された第２ガス拡散層と、を有する膜電極接合体の周縁部に枠体が形成された電極−膜−枠接合体の製造方法であって、
前記製造方法は、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と予め成形された額縁状の形状を有する第１成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記電解質膜の第１の主面側に前記第１成形体を配置する工程と、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と予め成形された額縁状の形状を有する第２成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記電解質膜の第２の主面側に前記第２成形体を配置する工程と、
前記第１成形体を配置する工程及び前記第２成形体を配置する工程の後、前記電解質膜の厚み方向から見て前記第２成形体の外縁部よりも内側に位置する前記電解質膜の第２の主面の内側領域に直接接することなく、前記第１成形体及び前記第２成形体を一体的に接続するように前記第１成形体と前記第２成形体との間に第３成形体を射出成形することにより、前記第１成形体と前記第２成形体と前記第３成形体とを含む前記枠体を形成する工程と、
を含む、電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【００１４】
本発明の第２態様によれば、前記第２成形体を配置する工程において、前記第２触媒層の周縁部の主面の一部が露出するように前記第２触媒層の周縁部上に前記第２成形体を配置し、
前記枠体を形成する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第３成形体の一部が前記露出する第２触媒層の周縁部の一部とが重なるように、前記第３成形体を射出成形する、第１態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【００１５】
本発明の第３態様によれば、前記枠体を形成する工程において、前記第３成形体を構成する樹脂材料の一部が前記露出する第２触媒層の周縁部の一部に混在するように、前記第３成形体を射出成形する、第２態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【００１６】
本発明の第４態様によれば、前記第１成形体を配置する工程において、前記第１触媒層の周縁部の主面の一部が露出するように、前記第１触媒層の周縁部上に前記第１成形体を配置し、
前記枠体を形成する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第３成形体の一部と前記露出する第１触媒層の周縁部の一部とが重なるように、前記第３成形体を射出成形する、第２態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【００１７】
本発明の第５態様によれば、前記枠体を形成する工程において、前記第３成形体を構成する樹脂材料の一部が前記露出する第１触媒層の周縁部の一部に混在するように、前記第３成形体を射出成形する、第４態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【００１８】
本発明の第６態様によれば、前記膜電極接合体は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部及び第２触媒層の周縁部のうち少なくとも一方が、前記電解質膜の周縁部より内側に配置されている、第１〜５態様のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【００１９】
本発明の第７態様によれば、前記膜電極接合体は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部が前記第１ガス拡散層の周縁部より外側に配置され、前記第２触媒層の周縁部が前記第２ガス拡散層の周縁部より外側に配置され、
前記第１成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部と前記第１成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記第１成形体を配置し、
前記第２成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第２触媒層の周縁部と前記第２成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記第２成形体を配置する、第１〜５態様のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【００２０】
本発明の第８態様によれば、前記製造方法は、
前記第１成形体を配置する工程、第２成形体を配置する工程、及び前記枠体を形成する工程の前に、
前記第１触媒層の主面に前記第１ガス拡散層を配置する工程と、
前記第２触媒層の主面に前記第２ガス拡散層を配置する工程と、
を含み、
前記第１成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１ガス拡散層の周縁部より外側に前記第１成形体を配置し、
前記第２成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第２ガス拡散層の周縁部より外側に前記第２成形体を配置する、第１〜７態様のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【００２１】
本発明の第９態様によれば、前記製造方法は、
前記第１成形体を配置する工程、第２成形体を配置する工程、及び前記枠体を形成する工程の後に、
前記第１触媒層の主面に前記第１ガス拡散層を配置する工程と、
前記第２触媒層の主面に前記第２ガス拡散層を配置する工程と、
を含み、
前記第１成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１成形体の内縁部より内側に前記第１ガス拡散層を配置し、
前記第２成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第２成形体の内縁部より内側に前記第２ガス拡散層を配置する、第１〜７態様のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【００２２】
本発明の第１０態様によれば、前記枠体を形成する工程においては、前記第３成形体を構成する樹脂材料の一部が前記第２ガス拡散層の周縁部に混在するように射出成形される、第８又は９態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【００２３】
本発明の第１１態様によれば、前記第１成形体は、前記第１ガス拡散層と隙間を空けて配置され、
前記第２成形体は、前記第２ガス拡散層と隙間を空けて配置され、
前記枠体を形成する工程の後、前記隙間に弾性体を配置する工程をさらに含む、第８又は９態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【００２４】
本発明の第１２態様によれば、前記第１成形体と前記第２成形体とは、前記第３成形体により接続される前に、それらの一部が接続されるように一体成形されている、第１態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【００２５】
本発明の第１３態様によれば、高分子電解質膜の第１の主面に配置された第１触媒層と、前記第１触媒層の主面に配置された第１ガス拡散層と、前記電解質膜の第２の主面に配置された第２触媒層と、前記第２触媒層の主面に配置された第２ガス拡散層と、を有する膜電極接合体の周縁部に枠体が形成された電極−膜−枠接合体であって、
前記枠体は、
第１成形体と第２成形体と第３成形体とを有し、
前記第１成形体は、額縁状の形状を有し、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と少なくとも前記第１成形体の内縁部とが重なるように、前記電解質膜の第１の主面側に配置され、
前記第２成形体は、額縁状の形状を有し、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と少なくとも前記第２成形体の内縁部とが重なるように、前記電解質膜の第２の主面側に配置され、
前記第３成形体は、前記第１成形体と前記第２成形体とを一体的に接続するように、前記第１成形体と前記第２成形体との間に配置されている、
電極−膜−枠接合体を提供する。
【００２６】
本発明の第１３態様によれば、前記枠体は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層及び前記第２触媒層の周縁部の一部のうち少なくとも一方と前記第３成形体の一部とが重なるように配置されている、第１２態様に記載の電極−膜−枠接合体を提供する。
【００２７】
本発明の第１５態様によれば、前記第３成形体を構成する樹脂材料の一部は、前記第１触媒層の周縁部の主面の一部及び第２の触媒層の周縁部の主面の一部のうち少なくとも一方に混在しており、
前記第１成形体を構成する材料は、前記第１触媒層の周縁部の主面に混在しておらず、
前記第２成形体を構成する材料は、前記第２触媒層の周縁部の主面に混在していない、第１３又は１４態様に記載の電極−膜−枠接合体を提供する。
【００２８】
本発明の第１６態様によれば、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部及び前記第２触媒層の周縁部のうち少なくとも一方が、前記電解質膜の周縁部より内側に配置されている、第１３〜１５態様のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体を提供する。
【００２９】
本発明の第１７態様によれば、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部が前記第１ガス拡散層の周縁部より外側に配置され、前記第２触媒層の周縁部が前記第２ガス拡散層の周縁部より外側に配置され、
前記枠体は、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部と前記第１成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記第１成形体が配置され、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第２触媒層の周縁部と前記第２成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記第２成形体が配置されている、第１３〜１６態様のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【００３０】
本発明の第１８態様によれば、前記第１成形体は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１ガス拡散層の周縁部より外側に配置され、
前記第２成形体は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第２ガス拡散層の周縁部より外側に配置されている、第１３〜１７態様のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体を提供する。
【００３１】
本発明の第１９態様によれば、前記第１及び第２成形体のうち少なくとも一方は、前記第１及び第２ガス拡散層のうち少なくとも一方と隙間を空けて配置され、当該隙間と当該隙間に隣接する前記第１及び第２成形体のうち少なくとも一方とを覆うように弾性体が配置されている、第１８態様に記載の電極−膜−枠接合体を提供する。
【００３２】
本発明の第２０態様によれば、前記弾性体は、前記弾性体を構成する樹脂材料の一部が、前記隙間に隣接する第１及び第２ガス拡散層のうち少なくとも一方の周縁部に混在している、第１９態様に記載の電極−膜−枠接合体を提供する。
【００３３】
本発明の第２１態様によれば、前記第１成形体と第２成形体とは、硬度が異なる樹脂材料で構成されている、第１３態様に記載の電極−膜−枠接合体を提供する。
【００３４】
本発明の第２２態様によれば、前記第１及び第２成形体のいずれか一方は、熱可塑性樹脂で構成され、
前記第１及び第２成形体のいずれか他方は、熱可塑性エラストマーで構成されている、
第２１態様に記載の電極−膜−枠接合体を提供する。
【００３５】
本発明の第２３態様によれば、前記第１及び第２成形体の少なくともいずれか一方は、熱可塑性樹脂層と熱可塑性エラストマー層とを含む複層構造で構成されている、第１３態様に記載の電極−膜−枠接合体を提供する。
【００３６】
本発明の第２４態様によれば、前記熱可塑性エラストマー層が前記第１又は第２触媒層の周縁部と接触するように構成されている、第２３態様に記載の電極−膜−枠接合体を提供する。
【００３７】
本発明の第２５態様によれば、第１３〜２４態様のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体を備える燃料電池を提供する。
【発明の効果】
【００３８】
本発明の電極−膜−枠接合体の製造方法では、電解質膜の周縁部の第１の主面側に予め成形された第１成形体を配置するとともに、電解質膜の周縁部の第２の主面側に予め成形された第２成形体を配置するようにしている。また、第３成形体が、電解質膜の厚み方向から見て第２成形体の外縁部よりも内側に位置する電解質膜の主面の内側領域に直接接しないようにしている。すなわち、発電部の近くにおいて、高温及び高圧の熱可塑性樹脂が触媒層に直接接触することが無いようにしている。これにより、高分子電解質膜の劣化を抑えることができ、発電性能の低下を抑えることができる。
【００３９】
また、本発明の電極−膜−枠接合体の製造方法によれば、第３成形体を射出成形することによって、第１成形体と第２成形体とを一体化するようにしているので、枠体とＭＥＡとの密着性を高めることができる。
【００４０】
また、本発明の電極−膜−枠接合体によれば、枠体を３つの成形体より構成し、第３成形体により第１成形体と第２成形体とを一体的に接続するようにしているので、第１成形体と第２成形体とを射出成形する必要性を無くすことができる。これにより、高分子電解質膜の劣化を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施の形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
【図１】図１は、本発明の第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を有する燃料電池の構造を、一部を分解して模式的に示す斜視図であり、
【図２】図２は、図１のII−II線断面におけるセルの積層断面を、一部を分解して示す図であり、
【図３】図３は、図１の電極−膜−枠接合体の構成を模式的に示す平面図であり、
【図４】図４は、図３のIV−IV線断面図であり、
【図５】図５は、図１の電極−膜−枠接合体のアノードセパレータ側の表面構造を示す平面図であり、
【図６】図６は、図１の電極−膜−枠接合体のカソードセパレータ側の表面構造を示す平面図であり、
【図７Ａ】図７Ａは、図１の電極−膜−枠接合体の製造工程を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａに続く工程を示す模式断面図であり、
【図７Ｃ】図７Ｃは、図７Ｂに続く工程を示す模式断面図であり、
【図８Ａ】図８Ａは、図７Ａ〜図７Ｃに示す電極−膜−枠接合体の製造工程とは別の製造工程を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図８Ｂ】図８Ｂは、図８Ａに続く工程を示す模式断面図であり、
【図８Ｃ】図８Ｃは、図８Ｂに続く工程を示す模式断面図であり、
【図８Ｄ】図８Ｄは、図８Ｃに続く工程を示す模式断面図であり、
【図９】図９は、本発明の第２実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図１０】図１０は、本発明の第３実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図１１】図１１は、本発明の第４実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図１２】図１２は、本発明の第５実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図１３】図１３は、本発明の第６実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図１４】図１４は、第１触媒層と第２触媒層とが短絡した状態を示す模式断面図であり、
【図１５】図１５は、本発明の第７実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図１６】図１６は、本発明の第８実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図１７】図１７は、本発明の第９実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図１８】図１８は、本発明の第１０実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図１９】図１９は、本発明の第１１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図２０】図２０は、本発明の第１２実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の構成を模式的に示す平面図であり、
【図２１】図２１は、図２０のVI−VI線断面図であり、
【図２２Ａ】図２２Ａは、本発明の第１２実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の製造工程を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図２２Ｂ】図２２Ｂは、図２２Ａに続く工程を示す模式断面図であり、
【図２２Ｃ】図２２Ｃは、図２２Ｂに続く工程を示す模式断面図であり、
【図２３】図２３は、本発明の第１３実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の構成を模式的に示す平面図であり、
【図２４】図２４は、図２３のVIII−VIII線断面図であり、
【図２５】図２５は、本発明の第１４実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図２６Ａ】図２６Ａは、従来の電極−膜−枠接合体の製造工程を、ＭＥＡと枠体との接合部分を拡大して示す模式説明図であり、
【図２６Ｂ】図２６Ｂは、図２６Ａに続く工程を示す模式断面図であり、
【図２６Ｃ】図２６Ｃは、図２６Ｂに続く工程を示す模式断面図であり、
【図２７】図２７は、本発明の第１５態様にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図であり、
【図２８】図２８は、本発明の第１６態様にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４３】
《第１実施形態》
図１〜図５を用いて、本発明の第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を有する燃料電池の構造を説明する。図１は、本第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を有する燃料電池の構造を、一部を分解して模式的に示す斜視図である。図２は、図１のII−II線断面におけるセルの積層断面を、一部を分解して示す図である。図３は、図１の電極−膜−枠接合体の構成を模式的に示す平面図であり、図４は、図３のIV−IV線断面図である。図５は、図１の電極−膜−枠接合体のアノードセパレータ側の表面構造を示す平面図であり、図６は、カソードパレータ側の表面構造を示す平面図である。
【００４４】
本第１実施形態にかかる燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる高分子電解質形燃料電池である。なお、本発明は高分子電解質形燃料電池に限定されるものではなく、種々の燃料電池に適用可能である。
【００４５】
図１に示すように、燃料電池は、基本単位構成であるセル（単電池モジュール）１０を複数個（例えば６０個）積層させて構成されている。なお、図示していないが、積層されたセル１０群の両端部には、集電板、絶縁板、及びエンドプレートが取り付けられ、締結ボルトがボルト孔４を挿通されナットで固定されることにより、所定の締結力（例えば１０ｋＮ）で締結されている。
【００４６】
セル１０は、電極−膜−枠接合体１を、一対の導電性のセパレータであるアノードセパレータ２及びカソードセパレータ３で挟んで構成されている。電極−膜−枠接合体１は、膜電極接合体５（以下、ＭＥＡという）と、ＭＥＡ５の周縁部５Ｅを封止保持するように形成された枠体６とを備えている。
【００４７】
ＭＥＡ５は、図２に示すように、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜５Ａと、当該電解質膜５Ａの両面に形成された一対の第１及び第２電極層５Ｄ１，５Ｄ２（すなわち、アノードとカソードの電極層）とで構成されている。第１電極層５Ｄ１は、第１触媒層５Ｂ１と、第１ガス拡散層５Ｃ１との２層構造で構成されている。同様に、第２電極層５Ｄ２は、第２触媒層５Ｂ２と、第２ガス拡散層５Ｃ２との２層構造で構成されている。第１ガス拡散層５Ｃ１は、第１触媒層５Ｂ１よりも外形サイズが小さく、第１触媒層５Ｂ１の周縁部が露出するように第１触媒層５Ｂ１の主面に配置されている。これにより、第１触媒層５Ｂ１の周縁部は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部の外側に位置している。同様に、第２ガス拡散層５Ｃ２は、第２触媒層５Ｂ２よりも外形サイズが小さく、第２触媒層５Ｂ２の周縁部が露出するように第２触媒層５Ｂ２の主面に配置されている。これにより、第２触媒層５Ｂ２の周縁部は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部の外側に位置している。
【００４８】
高分子電解質膜５Ａは、プロトン導電性を示す固体高分子材料、例えば、パーフルオロスルホン酸膜（デュポン社製ナフィオン膜）で構成されている。第１及び第２触媒層５Ｂ１，５Ｂ２は、例えば白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とした多孔質な部材であり、高分子電解質膜５Ａの表面に形成されている。第１及び第２ガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２は、燃料ガス又は酸化剤ガスの通気性と電子伝導性の両方を有し、第１及び第２触媒層５Ｂ１，５Ｂ２の表面に形成されている。
【００４９】
第１及び第２ガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２としては、例えば、基材として炭素繊維を用いず、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分として構成された多孔質部材を用いることができる。また、第１及び第２ガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２としては、例えば、ガス透過性を持たせるために、カーボン織布又はカーボン不織布等を用いて作製された、多孔質構造を有する導電性基材を用いることができる。この場合、充分な排水性を得る観点から、フッ素樹脂に例示される撥水性高分子などを第１ガス拡散層５Ｃ１及び／又は第２ガス拡散層５Ｃ２中に分散させてもよい。また、膜電極接合体５における水管理を容易に、かつ、確実に行うという観点から、第１ガス拡散層５Ｃ１の第１触媒層５Ｂ１側の主面及び／又は第２ガス拡散層５Ｃ２の第２触媒層５Ｂ２側の主面に、撥水性高分子とカーボン粉末とで構成される撥水カーボン層を設けてもよい。
【００５０】
枠体６は、図３及び図４に示すように、第１成形体６１と第２成形体６２と第３成形体６３の３つの額縁状部材で構成されている。第１成形体６１は、第１ガス拡散層５Ｃ１に近接して第１触媒層５Ｂ１の周縁部上に配置されている。すなわち、第１成形体６１は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部より外側に配置されている。これにより、第１成形体６１の少なくとも内縁部は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１触媒層５Ｂ１の周縁部と重なるように位置している。第２成形体６２は、第２ガス拡散層５Ｃ２に近接して第２触媒層５Ｂ２の周縁部上に配置されている。すなわち、第２成形体６２は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部より外側に配置されている。これにより、第２成形体６２の少なくとも内縁部は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第２触媒層５Ｂ２の周縁部と重なるように位置している。第３成形体６３は、ＭＥＡ５の周縁部の周りにおいて第１成形体６１と第２成形体６２とを一体的に接続するように構成されている。
【００５１】
第１成形体６１と第２成形体６２と第３成形体６３とは、樹脂材料の一例である熱可塑性樹脂を用いて射出形成にて形成されている。第１成形体６１と第２成形体６２とは、第１触媒層５Ｂ１又は第２触媒層５Ｂ２に配置される前に、予め射出成形されている。このため、第１及び第２成形体６１，６２を構成する熱可塑性樹脂の一部は、多孔質である第１触媒層５Ｂ１及び第２触媒層５Ｂ２に混在しないようになっている。これに対して、第３成形体６３は、第１及び第２成形体６１，６２の第１及び第２触媒層５Ｂ１，５Ｂ２への配置後において、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第３成形体６３と第２触媒層５Ｂ２の周縁部の一部とが重なるように射出成形されている。好ましくは、第３成形体６３を構成する熱可塑性樹脂の一部が、射出成形時に溶融して多孔質である第２触媒層５Ｂ２に流れ込むことにより、第２触媒層５Ｂ２の周縁部の一部に混在するようにする。この第３成形体６３により（アンカー効果により）、枠体６とＭＥＡ５との密着性が向上している。なお、枠体６とＭＥＡ５との密着性を向上させる観点においては、第３成形体６３と第２触媒層５Ｂ２との面方向の接触幅Ｗ１を１ｍｍ以上とすることが好ましい。
【００５２】
なお、第２触媒層５Ｂ２の周縁部の主面の全周が露出するように第２触媒層５Ｂ２の周縁部上に第２成形体６２を配置し、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て第３成形体６３の一部と前記露出する第２触媒層５Ｂ２の周縁部の全周とが重なるように、第３成形体６３を射出成形することが好ましい。この構成により、第３成形体６３を構成する熱可塑性樹脂の一部が第２触媒層５Ｂ２の周縁部の全周に混在するようにでき、第２触媒層５Ｂ２の周縁部の全周にわたって枠体６とＭＥＡ５との密着性を高めることができる。また、これにより、第２触媒層５Ｂ２の周縁部を通って、第１触媒層５Ｂ１と第２触媒層５Ｂ２との間で燃料ガス及び酸化剤ガスがリークすることを抑制することができる。
【００５３】
なお、第１及び第２成形体６１,６２の射出成形に用いる熱可塑性樹脂は、燃料電池の運転温度以下において、化学的に清浄且つ安定であって、適度の弾性率と比較的高い荷重たわみ温度を有するものであることが好ましい。例えば、後述するアノードセパレータ２及びカソードセパレータ３の燃料ガス流路溝２１及び酸化剤ガス流路溝３１の幅がそれぞれ１〜２ｍｍ程度、且つ枠体６の厚みが略１ｍｍ以下である場合、前記熱可塑性樹脂の圧縮弾性率は少なくとも２，０００ＭＰａ以上であることが好ましい。ここで、弾性率とは、ＪＩＳ−Ｋ７１８１に定める圧縮弾性率測定法によって計測された圧縮弾性率を言う。また、燃料電池の運転温度は一般的には９０℃以下なので、前記熱可塑性樹脂の荷重たわみ温度は１２０℃以上であることが好ましい。
【００５４】
また、第１及び第２成形体６１，６２に用いる熱可塑性樹脂は、化学的安定性の観点から、非晶性樹脂ではなく結晶性樹脂であることが好ましく、その中でも機械的強度が大きく且つ耐熱性が高い樹脂であることが好ましい。例えば、前記熱可塑性樹脂として、いわゆるスーパーエンジニアリングプラスチックグレードのもの、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）などが好適である。これらは、数千から数万ＭＰａの圧縮弾性率と、１５０℃以上の荷重たわみ温度を有しており、好適な材料である。また、汎用されている樹脂材料であっても、例えばガラスフィラーが充填されたポリプロピレン（ＧＦＰＰ）等は、非充填のポリプロピレン（圧縮弾性率１，０００〜１，５００ＭＰａ）の数倍の弾性率を有し且つ１５０℃近い荷重たわみ温度を有しているので、前記熱可塑性樹脂として好適に使用することができる。
【００５５】
また、第３成形体６３は、上述の第１及び第２成形体６１，６２と同様の樹脂材料を用いることができる。この場合、同質の材料同士を接合する方が異質の材料同士を接合するよりも接合力は強いため、第３成形体６３を射出成形して枠体を一体的に接続することが容易になる。
また、第３成形体６３は、第１成形体６１及び第２成形体６２よりも圧縮弾性率の低い材料で構成されていてもよい。この場合、第１成形体６１及び第２成形体６２を圧縮弾性率の低い材料で接続することにより、例えば、ハンドリング時に高分子電解質膜５Ａにかかる機械的なストレスを低減できるため、高分子電解質膜５Ａの機械的劣化を抑制できる。第３成形体６３の好適な材料としては、例えば、後述するガスケット７に用いられる熱可塑性樹脂又は熱可塑性エラストマーと同様の材料を用いることができ、例えば、ガラスフィラーが充填されていないポリプロピレンを用いることができる。
【００５６】
枠体６の両主面には、図２に示すように、溝部６Ａが形成され、当該溝部６Ａにガスケット７が嵌合されている。電極−膜−枠接合体１は、アノードセパレータ２とカソードセパレータ３とにガスケット７を介して挟持されている。ガスケット７は、弾性体で構成され、セル１０の締結時にアノードセパレータ２及びカソードセパレータ３が電極−膜−枠接合体１に向けて押圧されることによって変形し、ＭＥＡ５の周囲をシールする。このガスケット７の具体的構成については、後で詳しく説明する。
【００５７】
アノードセパレータ２及びカソードセパレータ３は、概ね平板状に形成されている。アノードセパレータ２及びカソードセパレータ３の電極−膜−枠接合体１と接触する側の面(すなわち内面）には、電極−膜−枠接合体１の形状、より具体的には枠体６とＭＥＡ５との厚みの違いによる段差に対応するように、段差２５，３５が形成されている。すなわち、アノードセパレータ２及びカソードセパレータ３の内面は、中央部が台形状に突出するように形成されている。
【００５８】
アノードセパレータ２及びカソードセパレータ３は、ガス不透過性の導電性材料で構成されている。アノードセパレータ２及びカソードセパレータ３として、例えば、樹脂含浸カーボン材料を所定形状に切削したもの、あるいは、カーボン粉末と樹脂材料の混合物を成形したものなどを用いることができる。
【００５９】
アノードセパレータ２、カソードセパレータ３、及び枠体６には、それぞれ、図１に示すように、燃料ガスが流通する一対の貫通孔である燃料ガスマニホールド孔１２，２２，３２が設けられている。また、アノードセパレータ２、カソードセパレータ３、及び枠体６には、それぞれ、図１に示すように、酸化剤ガスが流通する一対の貫通孔である酸化剤ガスマニホールド孔１３，２３，３３が設けられている。アノードセパレータ２、カソードセパレータ３、及び枠体６が、セル１０として締結された状態では、燃料ガスマニホールド孔１２，２２，３２が連結され、燃料ガスマニホールドが形成される。同様に、アノードセパレータ２、カソードセパレータ３、及び枠体６が、セル１０として締結された状態では、酸化剤ガスマニホールド孔１３，２３，３３が連結され、酸化剤ガスマニホールドが形成される。
【００６０】
また、アノードセパレータ２、カソードセパレータ３、及び枠体６には、図１に示すように、冷却媒体（例えば、純水やエチレングリコール）が流通するそれぞれ二対の貫通孔である冷却媒体マニホールド孔１４，２４，３４が設けられている。これによって、アノードセパレータ２、カソードセパレータ３、及び枠体６が、セル１０として締結された状態では、これらの冷却媒体マニホールド孔１４，２４，３４が連結され、二対の冷却媒体マニホールドが形成される。
【００６１】
また、アノードセパレータ２、カソードセパレータ３、及び枠体６には、図１に示すように、それぞれの角部近傍に４つのボルト孔４が設けられている。各ボルト孔４に締結ボルトが挿通され、当該締結ボルトにナットが結合することによってセル１０が締結される。
【００６２】
アノードセパレータ２の内側の主面（電極−膜−枠接合体１側の面）には、一対の燃料ガスマニホールド孔２２，２２間を結ぶように燃料ガス流路溝２１が設けられている。燃料ガス流路溝２１は、セル１０の組立状態において第１ガス拡散層５Ｃ１に当接する表面に形成された第１ガス拡散層当接部２１Ａと、当該当接部２１Ａと燃料ガスマニホールド孔２２とをつなぐ連絡部（連絡用流路溝）２１Ｂとを有するように構成されている。これにより、燃料ガスが、供給側の燃料ガスマニホールド２２から供給側の連結部２１Ｂを通じて第１ガス拡散層当接部２１Ａに流入し、第１ガス拡散層５Ｃ１に接触するようになっている。また、第１ガス拡散層当接部２１Ａを通過した燃料ガスの余剰のガスや反応生成成分は、排出側の連結部２１Ｂを通じて排出側の燃料ガスマニホールド２２に排出されるようになっている。なお、図４において、一点破線は、セル１０の組立状態において、燃料ガス流路溝２１が枠体６と当接又は対向する位置を示している。
【００６３】
また、カソードセパレータ３の内側の主面（電極−膜−枠接合体１側の面）には、一対の酸化剤ガスマニホールド孔３３，３３間を結ぶように酸化剤ガス流路溝３１が設けられている。酸化剤ガス流路溝３１は、セル１０の組立状態において第２ガス拡散層５Ｃ２に当接する表面に形成された第２ガス拡散層当接部３１Ａと、当該当接部３１Ａと酸化剤ガスマニホールド孔３３とをつなぐ連絡部（連絡用流路溝）３１Ｂとを有するように構成されている。これにより、酸化剤ガスが、供給側の酸化剤ガスマニホールド３２から供給側の連結部３１Ｂを通じて第２ガス拡散層当接部３１Ａに流入し、第２ガス拡散層５Ｃ２に接触するようになっている。また、第２ガス拡散層当接部３１Ａを通過した酸化剤ガスの余剰のガスや反応生成成分は、排出側の連結部３１Ｂを通じて排出側の酸化剤ガスマニホールド３２に排出されるようになっている。なお、図６において、一点破線は、セル１０の組立状態において、酸化剤ガス流路溝３１が当接又は対向する位置を示している。
【００６４】
前記のようにして、燃料ガス流路溝２１を流通する燃料ガスが第１ガス拡散層５Ｃ１に接触するとともに、酸化剤ガス流路溝３１を流通する酸化剤ガスが第２ガス拡散層５Ｃ２に接触することにより、燃料電池の電気化学反応が生じる。これにより、電力と熱とが同時に発生する。
【００６５】
アノードセパレータ２及びカソードセパレータ３の外側の主面（背面）には、図２に示すように、それぞれ冷却媒体流路溝５０が形成されている。冷却媒体流路溝５０は、二対の冷却媒体マニホールド孔２４，３４間を結ぶように形成されている。すなわち、冷却媒体がそれぞれ供給側の冷却媒体マニホールドから冷却媒体流路溝５０に分岐して、それぞれ排出側の冷却媒体マニホールドに流通するように構成されている。これにより、冷却媒体の伝熱能力を利用して、セル１０を電気化学反応に適した所定の温度に保つことができる。
【００６６】
なお、各孔及び各溝は、例えば、切削加工、成形加工により形成することができる。また、前記燃料ガスマニホールド、酸化剤ガスマニホールド、及び冷却媒体マニホールドは、前記構成に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、各マニホールドを、いわゆる外部マニホールド構造としてもよい。なお、図３及び図４では、各孔の図示を省略している。
【００６７】
ガスケット７は、一対の燃料ガスマニホールド孔１２と、一対の酸化剤ガスマニホールド孔１３と、二対の冷却媒体マニホールド孔１４とを包囲し、且つ、ＭＥＡ５の第１及び第２ガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２を包囲する環状部７Ａを備えている。図５に示すようにアノードセパレータ２側では、燃料ガス流路溝２１の連絡部２１Ｂに対応する位置を除いて、燃料ガスマニホールド孔１２とＭＥＡ５とを一体的に包囲するように環状部７Ａが形成されている。また、図６に示すようにカソードセパレータ３側では、酸化剤ガス流路溝３１の連絡部３１Ｂに対応する位置を除いて、酸化剤ガスマニホールド孔１３とＭＥＡ５とを一体的に包囲するように環状部７Ａが形成されている。これにより、燃料ガス流路溝２１及び酸化剤ガス流路溝３１外への燃料ガス及び酸化剤ガスの流出が防止されている。
【００６８】
また、図２に示すように、ガスケット７の環状部７Ａの頂面には、リブ７Ｂが形成されている。このリブ７Ｂは、セル１０の組立状態において、アノードセパレータ２又はカソードセパレータ３に当接して押し潰される。この結果、セル１０の締結力がリブ７Ｂの部分に集中することとなり、各マニホールド孔１２，１３，１４及びＭＥＡ５の周囲がより確実にシールされる。すなわち、リブ７Ｂにより、ガスケット７のシールをより確実にすることができる。これにより、各マニホールド孔１２，１３，１４を通過する流体は、マニホールド孔１２，１３，１４からの漏れが防止され高圧となる。
【００６９】
なお、最も第１及び第２ガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２の近くに位置するリブ７Ｂ，７Ｂは、高分子電解質膜５Ａの外縁よりも第１及び第２ガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２の近くに位置していることが好ましい。このような構成により、セル１０の組立状態における前記締結力によって、互いに対向するリブ７Ｂ，７Ｂが枠体６を介してＭＥＡ５の周縁部５Ｅを挟持し、ＭＥＡ５の周縁部５Ｅと枠体６との密着性及び接合力を強化することができる。
【００７０】
また、ガスケット７は、樹脂材料の一例である熱可塑性樹脂又は熱可塑性エラストマーで構成されている。当該熱可塑性樹脂又は熱可塑性エラストマーは、燃料電池の運転温度以下において、化学的に安定（特に加水分解を起こさないなど）であり、耐熱水性を有することが好ましい。ガスケット７の圧縮弾性率は、例えば２００ＭＰａ以下であることが好ましい。
【００７１】
ガスケット７の好適な材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン（ＰＰ）、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体（ＥＰＤＭ：Ethylene-Propylene-Diene Methylene linkage）、ポリブチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリウレタン、シリコーン、フッ素樹脂、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、シンジオタクチック・ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリエーテルニトリル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、及び熱可塑性ポリイミドなどからなる群より選ばれる少なくとも１種である。これによって、燃料電池の締結荷重において良好なシール性を確保することができる。本第１実施形態においては、ＰＰ及びＥＰＤＭを有してなるポリオレフィン系熱可塑性エラストマーであるサントプレン８１０１−５５（Advanced Elastomer System社製）を用いている。
【００７２】
アノードセパレータ２及びカソードセパレータ３の外側の主面（背面）には、耐熱性の材質からなるスクイーズドパッキンなどの一般的なシール部材９が各マニホールド孔の周囲に配設されている。これによって、互いに近接するセル１０，１０間において、各マニホールド孔２２，２３，２４，３２，３３，３４の連結部からの燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却媒体の流出が防止されている。
【００７３】
次に、電極−膜−枠接合体１の製造方法について説明する。図７Ａ〜図７Ｃは、電極−膜−枠接合体１の各製造工程を、ＭＥＡ５の周縁部５Ｅと枠体６との接合部分を拡大して示す模式断面図である。ここでは、第１成形体６１及び第２成形体６２は予め射出成形され、ＭＥＡ５は予め作製されているものとする。
【００７４】
まず、図７Ａに示すように、ＭＥＡ５の第１ガス拡散層５Ｃ１に近接して第１触媒層５Ｂ１の周縁部上に第１成形体６１を配置する。すなわち、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部より外側に第１成形体６１を配置する。これにより、第１成形体６１の少なくとも内縁部は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１触媒層５Ｂ１の周縁部と重なるように位置する。
【００７５】
次いで、図７Ｂに示すように、ＭＥＡ５の第２ガス拡散層５Ｃ２に近接して第２触媒層５Ｂ２の周縁部上に第２成形体６２を配置する。すなわち、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部より外側に第２成形体６２を配置する。また、このとき、第２成形体６２は、第２触媒層５Ｂ２の周縁部の主面の一部が露出するように配置する。これにより、第２成形体６２の少なくとも内縁部は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第２触媒層５Ｂ２の周縁部と重なるように位置する。
【００７６】
次いで、図７Ｃに示すように、ＭＥＡ５の周縁部５Ｅの周りにおいて、一対の金型Ｔ１で第１成形体６１と第２成形体６２とを挟み、一対の金型Ｔ１内に形成された第１成形体６１と第２成形体６２との隙間に溶融した熱可塑性樹脂を流し込んで、第３成形体６３を射出成形する。これにより、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第３成形体６３の一部が第２触媒層５Ｂ２の周縁部の一部と重なる。なお、このとき、好ましくは、前記溶融した熱可塑性樹脂の一部が第２触媒層５Ｂ２の周縁部の主面の一部に混在するようにする。
以上により、図４に示す電極−膜−枠接合体１が製造される。
【００７７】
本第１実施形態においては、第１ガス拡散層５Ｃ１に近接して第１触媒層５Ｂ１の周縁部上に予め成形された第１成形体６１を配置するとともに、第２ガス拡散層５Ｃ２に近接して第２触媒層５Ｂ２の周縁部上に予め成形された第２成形体６２を配置するようにしている。また、第３成形体６３が、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て第２成形体６２の外縁部６２−１よりも内側に位置する高分子電解質膜５Ａの（第２の）主面の内側領域に直接接しないようにしている。すなわち、発電部の近くにおいて、高温及び高圧の熱可塑性樹脂が高分子電解質膜５Ａに直接接触することが無いようにしている。これにより、高分子電解質膜５Ａの劣化を抑えることができ、発電性能の低下を抑えることができる。ここで、発電部とは、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１ガス拡散層５Ｃ１及び第２ガス拡散層５Ｃ２が互いに重なる部分をいう。
【００７８】
また、本第１実施形態によれば、第３成形体６３を射出成形することによって、第１成形体６１と第２成形体６２とを一体化するようにしているので、枠体６とＭＥＡ５との密着性を高めることができる。
【００７９】
また、本第１実施形態によれば、枠体６を３つの成形体（第１〜３成形体６１，６２，６３）より構成し、第３成形体６３により第１成形体６１と第２成形体６２とを一体的に接続するようにしているので、第１成形体６１と第２成形体６２とを射出成形する必要性を無くすことができる。これにより、高分子電解質膜５Ａの劣化を抑えることができる。
【００８０】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、前記では、第１成形体６１と第２成形体６２とを同じ樹脂材料で構成したが、互いに硬度が異なるように、異なる材料で構成されてもよい。例えば、第１成形体６１を硬い材料（例えば、熱可塑性樹脂）で構成し、第２成形体６２を柔らかい材料（例えば、熱可塑性エラストマー）で構成してもよい。この場合、第１成形体６１が硬い部材であることにより、電極−膜−枠接合体１としての形状を保持（維持）することができる。すなわち、電極−膜−枠接合体１の撓みや折れ曲がりなどを抑えることができる。一方、第２成形体６２が柔らかい部材（弾性体）であることにより、セル１０の締結時に高分子電解質膜５Ａにかかる締結圧を緩和することができ、高分子電解質膜５Ａの機械的劣化を抑えることができる。
【００８１】
また、同質の材料同士を接合する方が異質の材料同士を接合するよりも接合力は強い。このため、例えば、第１成形体６１及び／又は第２成形体６２を、熱可塑性樹脂層と熱可塑性エラストマー層とを含む複層構造としてもよい。この場合、熱可塑性樹脂層によって第３成形体６３との接合性を高めることができるとともに、熱可塑性エラストマー層によってセル１０の締結時にＭＥＡ５にかかる締結圧を緩和することができる。なお、締結圧の緩和の観点においては、熱可塑性エラストマー層が第１触媒層５Ｂ１及び／又は第２触媒層５Ｂ２と接触するように構成されることが好ましい。
【００８２】
また、本第１実施形態では、第１成形体６１をアノード側に配置するとともに、第２成形体６２をカソード側に配置したが、第１成形体６１をカソード側に配置するとともに、第２成形体６２をアノード側に配置してもよい。
【００８３】
本第１実施形態では、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１触媒層５Ｂ１の周縁部が全周にわたって第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部より外側に配置され、第２触媒層５Ｂ２の周縁部が全周にわたって第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部より外側に配置されるようにしている。このように構成することで、第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部近傍において、第１枠体６１の内縁部と高分子電解質膜５Ａとが直接接触せず、第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部近傍において、第２枠体６２の内縁部と高分子電解質膜５Ａとが直接接触しない。このため、高分子電解質膜５Ａにかかる機械的ストレスを低減し、高分子電解質膜５Ａの劣化を抑制できる。なお、上述の効果を奏する範囲であれば、例えば、第１触媒層５Ｂ１の周縁部の一部が第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部より内側に配置されるようにしてもよく、第２触媒層５Ｂ２の周縁部の一部が第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部より内側に配置されるようにしてもよい。
【００８４】
なお、本第１実施形態では、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１成形体６１の少なくとも内縁部は、第１触媒層５Ｂ１の周縁部と重なるように位置するように配置したが、本発明はこれに限定されない。例えば、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１成形体６１の少なくとも内縁部は、高分子電解質膜５Ａの周縁部と重なるように、高分子電解質膜５Ａの一方の主面側に配置してもよい。また、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第２成形体６２の少なくとも内縁部は、第２触媒層５Ｂ２の周縁部と重なるように位置するように配置したが、本発明はこれに限定されない。例えば、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第２成形体６２の少なくとも内縁部は、高分子電解質膜５Ａの周縁部と重なるように、高分子電解質膜５Ａの他方の主面側に配置してもよい。このような構成にしても、発電部の近くにおいて、高温及び高圧の熱可塑性樹脂が高分子電解質膜５Ａに直接接触することが無いため、高分子電解質膜５Ａの劣化を抑えることができる。
【００８５】
なお、本第１実施形態では、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１触媒層５Ｂ１の周縁部が全周にわたって第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部より外側に配置され、第２触媒層５Ｂ２の周縁部が全周にわたって第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部より外側に配置されるようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１触媒層５Ｂ１の周縁部が第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部より内側に配置されるようにしてもよく、第１触媒層５Ｂ１と第１ガス拡散層５Ｃ１とが同じ大きさであってもよい。例えば、第２触媒層５Ｂ２の周縁部が第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部より内側に配置されるようにしてもよく、第２触媒層５Ｂ２と第２ガス拡散層５Ｃ２とが同じ大きさであってもよい。このような構成にしても、発電部の近くにおいて、高温及び高圧の熱可塑性樹脂が高分子電解質膜５Ａに直接接触することが無いため、高分子電解質膜５Ａの劣化を抑えることができる。
【００８６】
なお、本第１実施形態では、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部と第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部とが一致するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部と第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部とは、高分子電解質膜５Ａの面方向にずれて配置されてもよい。
【００８７】
なお、本第１実施形態では、電極−膜−枠接合体１の製造の際、ＭＥＡ５は予め作製されているものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、電極−膜−枠接合体１は、図８Ａ〜図８Ｄに示すようにして製造することもできる。図８Ａ〜図８Ｄは、電極−膜−枠接合体１の各製造工程を、ＭＥＡ５の周縁部５Ｅと枠体６との接合部分を拡大して示す模式断面図である。ここでは、第１成形体６１及び第２成形体６２は予め射出成形されているものとする。
【００８８】
まず、図８Ａに示すように、ＭＥＡ５の第１触媒層５Ｂ１の周縁部上に第１成形体６１を配置する。これにより、第１成形体６１の少なくとも内縁部は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１触媒層５Ｂ１の周縁部と重なるように位置する。
【００８９】
次いで、図８Ｂに示すように、ＭＥＡ５の第２触媒層５Ｂ２の周縁部上に第２成形体６２を配置する。これにより、第２成形体６２の少なくとも内縁部は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第２触媒層５Ｂ２の周縁部と重なるように位置する。また、このとき、第２成形体６２は、第２触媒層５Ｂ２の周縁部の主面の一部が露出するように配置する。
【００９０】
次いで、図８Ｃ及び図８Ｄに示すように、ＭＥＡ５の周縁部５Ｅの周りにおいて、一対の金型Ｔ１で第１成形体６１と第２成形体６２とを挟み、一対の金型Ｔ１内に形成された第１成形体６１と第２成形体６２との隙間に溶融した熱可塑性樹脂を流し込んで、第３成形体６３を射出成形する。これにより、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第３成形体６３の一部が第２触媒層５Ｂ２の周縁部の一部と重なる。なお、このとき、好ましくは、前記溶融した熱可塑性樹脂の一部が第２触媒層５Ｂ２の周縁部の主面の一部に混在するようにする。
【００９１】
その後、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１成形体６１の内縁部より内側に第１ガス拡散層５Ｃ１を配置し、第２成形体６２の内縁部より内側に第２ガス拡散層５Ｃ２を配置する。
以上により、図４に示す電極−膜−枠接合体１が製造される。
【００９２】
《第２実施形態》
図９は、本発明の第２実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。本第２実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ａが前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１と異なる点は、第３成形体６３ａが第２触媒層５Ｂ２の周縁部の主面と接触していない点である。
【００９３】
本第２実施形態によれば、射出成形する第３成形体６３ａが高分子電解質膜５Ａの周縁部の主面と接触していないので、前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１よりも高分子電解質膜５Ａの劣化を抑えることができる。
【００９４】
なお、本第２実施形態では、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１触媒層５Ｂ１の周縁部が全周にわたって第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部より外側に配置され、第２触媒層５Ｂ２の周縁部が全周にわたって第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部より外側に配置されるようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１触媒層５Ｂ１の周縁部が第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部より内側に配置されるようにしてもよく、第１触媒層５Ｂ１と第１ガス拡散層５Ｃ１とが同じ大きさであってもよい。また、例えば、第２触媒層５Ｂ２の周縁部が第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部より内側に配置されるようにしてもよく、第２触媒層５Ｂ２と第２ガス拡散層５Ｃ２とが同じ大きさであってもよい。このような構成にしても、発電部の近くにおいて、高温及び高圧の熱可塑性樹脂が高分子電解質膜５Ａに直接接触することが無いため、高分子電解質膜５Ａの劣化を抑えることができる。
【００９５】
《第３実施形態》
図１０は、本発明の第３実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。本第３実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｂが前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１と異なる点は、前記第２実施形態と同様に、第３成形体６３ｂが第２触媒層５Ｂ２の周縁部の主面と接触していない点である。
【００９６】
本第３実施形態によれば、前記第２実施形態と同様に、射出成形する第３成形体６３ｂが高分子電解質膜５Ａの周縁部の主面と接触していないので、前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１よりも高分子電解質膜５Ａの劣化を抑えることができる。
【００９７】
《第４実施形態》
図１１は、本発明の第４実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。本第４実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｃが前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１と異なる点は、第３成形体６３ｃが第２触媒層５Ｂ２の周縁部の主面と接触しておらず、第３成形体６３ｃが第１触媒層５Ｂ１側に回り込んで第１触媒層５Ｂ１の周縁部の主面の一部と接触するように形成されている点である。
【００９８】
本第４実施形態によれば、射出成形する第３成形体６３ｃを構成する熱可塑性樹脂の一部が、射出成形時に溶融して多孔質である第１触媒層５Ｂ１に流れ込むことにより、第１触媒層５Ｂ１の周縁部の一部に混在するようにする。この第３成形体６３ｃにより（アンカー効果により）、第１実施形態と同様に、枠体６とＭＥＡ５との密着性が向上している。
【００９９】
なお、第１触媒層５Ｂ１の周縁部の主面の全周が露出するように第１触媒層５Ｂ１の周縁部上に第１成形体６１を配置し、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第３成形体６３の一部と前記露出する第１触媒層５Ｂ１の周縁部の全周とが重なるように、第３成形体６３を射出成形することが好ましい。この構成により、第３成形体６３ｃを構成する熱可塑性樹脂の一部が、第１触媒層５Ｂ１の周縁部の全周に混在するようにでき、第１触媒層５Ｂ１の周縁部の全周にわたって枠体６とＭＥＡ５との密着性を高めることができる。また、これにより、第１触媒層５Ｂ１の周縁部を通って、第１触媒層５Ｂ１と第２触媒層５Ｂ２との間で燃料ガス及び酸化剤ガスがリークすることを抑制することができる。
【０１００】
《第５実施形態》
図１２は、本発明の第５実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。本第５実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｄが前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１と異なる点は、第３成形体６３ｄが第１触媒層５Ｂ１側に回り込んで第１触媒層５Ｂ１の周縁部の主面の一部と接触するように形成されている点である。
【０１０１】
本第５実施形態によれば、第１及び第２触媒層５Ｂ１，５Ｂ２の周縁部の主面の一部と第３成形体６３ｃとが接触しているため、枠体６とＭＥＡ５との密着性をより向上することができる。
【０１０２】
《第６実施形態》
図１３は、本発明の第６実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。本第６実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｅが前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１と異なる点は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜５Ａの周縁部より第１触媒層５Ｂ１の周縁部が内側に形成されている点である。
【０１０３】
前記第１実施形態では、例えば図４に示すように、第１触媒層５Ｂ１及び第２触媒層５Ｂ２が高分子電解質膜５Ａの両主面の全体に設けられるものとしている。このような構造は、例えば、大きなサイズの高分子電解質膜の両主面の全体に触媒層を形成した後、所望のサイズに高分子電解質膜を切断することで実現することができる。しかしながら、この場合、前記切断した際に、図１４に示すように第１触媒層５Ｂ１と第２触媒層５Ｂ２とが短絡してしまうおそれがある。
【０１０４】
これに対して、本第６実施形態においては、第１触媒層５Ｂ１を高分子電解質膜５Ａの全面に形成せず、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜５Ａの周縁部より第１触媒層５Ｂ１の周縁部が内側に配置されるように構成している。これにより、第１触媒層５Ｂ１と第２触媒層５Ｂ２との短絡不良を防止することができる。
【０１０５】
なお、本第６実施形態では、第１触媒層５Ｂ１を高分子電解質膜５Ａの全面に形成せず、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜５Ａの周縁部より第１触媒層５Ｂ１の周縁部が内側に配置されるように構成したが、これに限定されない。例えば、第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１において、第２触媒層５Ｂ２を高分子電解質膜５Ａの全面に形成せず、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜５Ａの周縁部より第２触媒層５Ｂ２の周縁部が内側に配置されるように構成してもよい。
【０１０６】
《第７実施形態》
図１５は、本発明の第７実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。本第７実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｆが前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１と異なる点は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜５Ａの周縁部より第１触媒層５Ｂ１及び第２触媒層５Ｂ２の周縁部が内側に形成されている点である。また、第３成形体６３ｆが第１触媒層５Ｂ１側に回り込むように設けられている。
【０１０７】
本第７実施形態によれば、より確実に第１触媒層５Ｂ１と第２触媒層５Ｂ２との短絡不良を防止することができる。
【０１０８】
《第８実施形態》
図１６は、本発明の第８実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。本第８実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｇが前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１と異なる点は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜５Ａの周縁部より第１触媒層５Ｂ１の周縁部が内側に配置され、かつ、第１触媒層５Ｂ１の周縁部と第１成形体６１の内縁部とが重ならないように形成されている点である。
【０１０９】
本第８実施形態によれば、より確実に第１触媒層５Ｂ１と第２触媒層５Ｂ２との短絡不良を防止することができる。また、第１触媒層５Ｂ１の周縁部と第１成形体６１の内縁部とが重ならないため、発電に有効に寄与しない第１触媒層５Ｂ１の量を削減することができる。
【０１１０】
《第９実施形態》
図１７は、本発明の第９実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。本第９実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｈが前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１と異なる点は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、高分子電解質膜５Ａの周縁部より第２触媒層５Ｂ２の周縁部が内側に配置され、かつ、第２触媒層５Ｂ２の周縁部と第２成形体６２の内縁部とが重ならないように形成されている点である。また、第１触媒層５Ｂ１の周縁部の主面の一部が露出するように形成し、第３成形体６３ｈが第１触媒層５Ｂ１側に回り込むように形成されている。
【０１１１】
本第９実施形態によれば、より確実に第１触媒層５Ｂ１と第２触媒層５Ｂ２との短絡不良を防止することができる。また、第２触媒層５Ｂ２の周縁部と第２成形体６２の内縁部とが重ならないため、発電に有効に寄与しない第２触媒層５Ｂ２の量を削減することができる。
【０１１２】
《第１０実施形態》
図１８は、本発明の第１０実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。本第１０実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｉが前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１と異なる点は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部が第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部より外側に配置され、かつ、第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部と第２成形体６２の内縁部とが重なるように配置されている点である。
【０１１３】
本第１０実施形態によれば、前記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本第１０実施形態によれば、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部と第２成形体６２の内縁部とが重なるように配置されることで、電極−膜−枠接合体１Ｉのハンドリング性（破断防止、変形防止など）を向上させることができる。
【０１１４】
なお、第１成形体６１のように、厚肉部分と薄肉部分とを有する部材を射出成形する場合、薄肉部分の長さが長いと、製造プロセスの難易度が高くなる。このため、図１８に示すように、第１成形体６１ａの薄肉部分の面方向の長さを、前記第１実施形態の第１成形体６１よりも短くすることが好ましい。
【０１１５】
《第１１実施形態》
図１９は、本発明の第１１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。本第１１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｊが前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１と異なる点は、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部が第１ガス拡散層５Ｃ１の周縁部より外側に配置され、かつ、第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部と第１成形体６１ｂの内縁部とが重なるように配置されている点である。
【０１１６】
本第１１実施形態によれば、前記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本第１１実施形態によれば、高分子電解質膜５Ａの厚み方向から見て、第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部と第１成形体６１ａの内縁部とが重なるように配置されることで、電極−膜−枠接合体１Ｉのハンドリング性（破断防止、変形防止など）を向上させることができる。
【０１１７】
《第１２実施形態》
図２０は、本発明の第１２実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の構成を模式的に示す平面図である。図２１は、図２０のVI−VI線断面図である。本第１２実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｋが前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１と異なる点は、第１成形体６１ｃが第２成形体６２と同じ大きさに形成され、それらをつなぐように第３成形体６３ｋが形成されている点である。
【０１１８】
本第１２実施形態によれば、第１成形体６１ｃが第２成形体６２と同じ大きさに形成されているので、それらの作製を一種類の金型で行うことができ、製造コストの削減を図ることができる。
【０１１９】
本第１２実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｋは、次のようにして製造することができる。図２２Ａ〜図２２Ｃは、電極−膜−枠接合体１Ｋの各製造工程を、ＭＥＡ５の周縁部５Ｅと枠体６との接合部分を拡大して示す模式断面図である。ここでは、第１成形体６１ｃ及び第２成形体６２は予め射出成形されており、ＭＥＡ５は予め作製されているものとする。
【０１２０】
まず、図２２Ａに示すように、ＭＥＡ５の第１ガス拡散層５Ｃ１に近接して第１触媒層５Ｂ１の周縁部上に第１成形体６１ｃを配置する。このとき、第１成形体６１ｃは、第１触媒層５Ｂ１の周縁部の主面の一部が露出するように配置する。
【０１２１】
次いで、図２２Ｂに示すように、ＭＥＡ５の第２ガス拡散層５Ｃ２に近接して第２触媒層５Ｂ２の周縁部上に第２成形体６２を配置する。このとき、第２成形体６２は、第２触媒層５Ｂ２の周縁部の主面の一部が露出するように配置する。
【０１２２】
次いで、図２２Ｃに示すように、ＭＥＡ５の周縁部５Ｅの周りにおいて、一対の金型Ｔ２で第１成形体６１ｃと第２成形体６２とを挟み、一対の金型Ｔ２内に形成された隙間に溶融した熱可塑性樹脂を流し込んで、第３成形体６３ｋを射出成形する。このとき、溶融した熱可塑性樹脂の一部が第１触媒層５Ｂ１及び第２触媒層５Ｂ２の周縁部の主面の一部に混在する。
以上により、図２１に示す電極−膜−枠接合体１Ｋが製造される。
【０１２３】
《第１３実施形態》
図２３は、本発明の第１３実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の構成を模式的に示す平面図である。図２４は、図２３のVIII−VIII線断面図である。本第１３実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｌが前記第１３実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｋと異なる点は、第１成形体６１ｃの一部と第２成形体６２の一部とが、第３成形体６３ｌを射出成形する前に一体的に接続されている点である。すなわち、本第１３実施形態においては、第１成形体６１ｃと第２成形体６２とが一体成形されている。
【０１２４】
本第１３実施形態によれば、第１成形体６１ｃと第２成形体６２とを一体成形するようにしているので、製造工数を減らすことができる。
【０１２５】
《第１４実施形態》
図２５は、本発明の第１４実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。本第１４実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｍが前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１と異なる点は、枠体６が第１及び第２ガス拡散層５Ｃ１，５Ｃ２との間に隙間を空けて設けられ、当該隙間を塞ぐようにガスケット７，７から延伸した弾性体の一例である延伸部７Ｃ１，７Ｃ２が設けられている点である。本第１４実施形態において、延伸部７Ｃ１，７Ｃ２を含むガスケット７全体は、発電部の近くにおいて、高温及び高圧の熱可塑性樹脂が高分子電解質膜５Ａに直接接触することが無いような方法で形成されている。例えば、ガスケット７は、予め射出成形された弾性体で構成されている。
【０１２６】
前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１を用いてセル１０を構成した場合には、図２に示されるように、電極−膜−枠接合体１の枠体６及びＭＥＡ５の接合部分の近傍とアノードセパレータ２及びカソードセパレータ３との間に隙間４０が形成される。燃料ガス及び酸化剤ガスは、主に互いに対向する第１及び第２電極層５Ｄ１，５Ｄ２間で電気化学反応するが、当該隙間４０がショートカット用の通路となり、燃料ガス及び酸化剤ガスが第１及び第２電極層５Ｄ１，５Ｄ２に十分に供給されない恐れがある。
【０１２７】
このため、本第１４実施形態では、隙間４０を塞ぐようにガスケット７から延伸部７Ｃ１，７Ｃ２を延伸させている。これにより、燃料ガス及び酸化剤ガスを第１及び第２電極層５Ｄ１，５Ｄ２に十分に供給できる。
【０１２８】
《第１５実施形態》
図２７は、本発明の第１６実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。本第１５実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｎが前記第１４実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｍと異なる点は、延伸部７Ｃ１，７Ｃ２により隙間４０を塞ぐことに代えて、弾性体７１により隙間４０を塞ぐようにした点である。
【０１２９】
弾性体７１は、発電部の近くにおいて、高温及び高圧の熱可塑性樹脂が高分子電解質膜５Ａに直接接触することが無いような方法で形成されている。例えば、弾性体７１は、第１ガス拡散層５Ｃ１と第１成形体６１との間、及び第２ガス拡散層５Ｃ２と第２成形体６２１との間に配置される前に、予め射出成形されている。これにより、燃料ガス及び酸化剤ガスを第１及び第２電極層５Ｄ１，５Ｄ２に十分に供給できるという本第１４実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１３０】
《第１６実施形態》
図２８は、本発明の第１６実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を、ＭＥＡの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。本第１６実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１Ｐが前記第１実施形態にかかる電極−膜−枠接合体１と異なる点は、第３成形体６３ｐを構成する樹脂材料の一部が第２成形体６２の全部または一部を覆っている点である。このような構成によっても、前記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１３１】
なお、第３成形体６３ｐを構成する樹脂材料の一部を第２ガス拡散層５Ｃ２の周縁部に混在させるように射出成形した場合には、第２ガス拡散層５Ｃ２と第３成形体６３ｐとを強固に固定することができる。また、第２ガス拡散層５Ｃ２と第２成形体６２との間に隙間があったとしても、第３成形体６３ｐによりショートカットなどの不良の発生を抑えることができる。さらに、発電部の近くにおいて、高温及び高圧の熱可塑性樹脂が高分子電解質膜５Ａに直接接触することが無いので、高分子電解質膜５Ａの劣化を抑えることができ、発電性能の低下を抑えることができる。
【０１３２】
なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
本発明にかかる電極−膜−枠接合体及びその製造方法は、高分子電解質膜の劣化を抑えることができるので、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される燃料電池に有用である。
【０１３４】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施の形態に関連して充分に記載されているが、この技術に熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜の第１の主面に配置された第１触媒層と、前記第１触媒層の主面に配置された第１ガス拡散層と、前記電解質膜の第２の主面に配置された第２触媒層と、前記第２触媒層の主面に配置された第２ガス拡散層と、を有する膜電極接合体の周縁部に枠体が形成された電極−膜−枠接合体の製造方法であって、
前記製造方法は、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と予め成形された額縁状の形状を有する第１成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記電解質膜の第１の主面側に前記第１成形体を配置する工程と、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と予め成形された額縁状の形状を有する第２成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記電解質膜の第２の主面側に前記第２成形体を配置する工程と、
前記第１成形体を配置する工程及び前記第２成形体を配置する工程の後、前記電解質膜の厚み方向から見て前記第２成形体の外縁部よりも内側に位置する前記電解質膜の第２の主面の内側領域に直接接することなく、前記第１成形体及び前記第２成形体を一体的に接続するように、前記第１成形体と前記第２成形体との間に第３成形体を射出成形することにより、前記第１成形体と前記第２成形体と前記第３成形体とを含む前記枠体を形成する工程と、
を含む、電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項２】
前記第２成形体を配置する工程において、前記第２触媒層の周縁部の主面の一部が露出するように前記第２触媒層の周縁部上に前記第２成形体を配置し、
前記枠体を形成する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第３成形体の一部と前記露出する第２触媒層の周縁部の一部とが重なるように、前記第３成形体を射出成形する、請求項１に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項３】
前記枠体を形成する工程において、前記第３成形体を構成する樹脂材料の一部が前記露出する第２触媒層の周縁部の一部に混在するように、前記第３成形体を射出成形する、請求項２に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項４】
前記第１成形体を配置する工程において、前記第１触媒層の周縁部の主面の一部が露出するように、前記第１触媒層の周縁部上に前記第１成形体を配置し、
前記枠体を形成する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第３成形体の一部と前記露出する第１触媒層の周縁部の一部とが重なるように、前記第３成形体を射出成形する、請求項２に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項５】
前記枠体を形成する工程において、前記第３成形体を構成する樹脂材料の一部が前記露出する第１触媒層の周縁部の一部に混在するように、前記第３成形体を射出成形する、請求項４に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項６】
前記膜電極接合体は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部及び前記第２触媒層の周縁部のうち少なくとも一方が、前記電解質膜の周縁部より内側に配置されている、請求項１〜５のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項７】
前記膜電極接合体は、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部が前記第１ガス拡散層の周縁部より外側に配置され、前記第２触媒層の周縁部が前記第２ガス拡散層の周縁部より外側に配置され、
前記第１成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部と前記第１成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記第１成形体を配置し、
前記第２成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第２触媒層の周縁部と前記第２成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記第２成形体を配置する、請求項１〜５のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項８】
前記製造方法は、
前記第１成形体を配置する工程、前記第２成形体を配置する工程、及び前記枠体を形成する工程の前に、
前記第１触媒層の主面に前記第１ガス拡散層を配置する工程と、
前記第２触媒層の主面に前記第２ガス拡散層を配置する工程と、
を含み、
前記第１成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１ガス拡散層の周縁部より外側に前記第１成形体を配置し、
前記第２成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第２ガス拡散層の周縁部より外側に前記第２成形体を配置する、請求項１〜７のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項９】
前記製造方法は、
前記第１成形体を配置する工程、前記第２成形体を配置する工程、及び前記枠体を形成する工程の後に、
前記第１触媒層の主面に前記第１ガス拡散層を配置する工程と、
前記第２触媒層の主面に前記第２ガス拡散層を配置する工程と、
を含み、
前記第１成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１成形体の内縁部より内側に前記第１ガス拡散層を配置し、
前記第２成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第２成形体の内縁部より内側に前記第２ガス拡散層を配置する、請求項１〜７のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項１０】
前記枠体を形成する工程においては、前記第３成形体を構成する樹脂材料の一部が前記第２ガス拡散層の周縁部に混在するように射出成形される、請求項８又は９に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項１１】
前記第１成形体は、前記第１ガス拡散層と隙間を空けて配置され、
前記第２成形体は、前記第２ガス拡散層と隙間を空けて配置され、
前記枠体を形成する工程の後、前記隙間に弾性体を配置する工程をさらに含む、請求項８〜１０のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項１２】
前記第１成形体と前記第２成形体とは、前記第３成形体により接続される前に、それらの一部が接続されるように一体成形されている、請求項１に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項１３】
高分子電解質膜の第１の主面に配置された第１触媒層と、前記第１触媒層の主面に配置された第１ガス拡散層と、前記電解質膜の第２の主面に配置された第２触媒層と、前記第２触媒層の主面に配置された第２ガス拡散層と、を有する膜電極接合体の周縁部に枠体が形成された電極−膜−枠接合体であって、
前記枠体は、
第１成形体と第２成形体と第３成形体とを有し、
前記第１成形体は、額縁状の形状を有し、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と少なくとも前記第１成形体の内縁部とが重なるように、前記電解質膜の第１の主面側に配置され、
前記第２成形体は、額縁状の形状を有し、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と少なくとも前記第２成形体の内縁部とが重なるように、前記電解質膜の第２の主面側に配置され、
前記第３成形体は、前記第１成形体と前記第２成形体とを一体的に接続するように、前記第１成形体と前記第２成形体との間に配置されている、
電極−膜−枠接合体。
【請求項１４】
前記枠体は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層及び前記第２触媒層の周縁部の一部のうち少なくとも一方と前記第３成形体の一部とが重なるように配置されている、請求項１３に記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項１５】
前記第３成形体を構成する樹脂材料の一部は、前記第１触媒層の周縁部の主面の一部及び第２触媒層の周縁部の主面の一部のうち少なくとも一方に混在しており、
前記第１成形体を構成する材料は、前記第１触媒層の周縁部の主面に混在しておらず、
前記第２成形体を構成する材料は、前記第２触媒層の周縁部の主面に混在していない、請求項１３又は１４に記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項１６】
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部及び前記第２触媒層の周縁部のうち少なくとも一方が、前記電解質膜の周縁部より内側に配置されている、請求項１３〜１５のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項１７】
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部が前記第１ガス拡散層の周縁部より外側に配置され、前記第２触媒層の周縁部が前記第２ガス拡散層の周縁部より外側に配置され、
前記枠体は、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部と前記第１成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記第１成形体が配置され、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第２触媒層の周縁部と前記第２成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記第２成形体が配置されている、請求項１３〜１６のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項１８】
前記第１成形体は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１ガス拡散層の周縁部より外側に配置され、
前記第２成形体は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第２ガス拡散層の周縁部より外側に配置されている、請求項１３〜１７のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項１９】
前記第１及び第２成形体のうち少なくとも一方は、前記第１及び第２ガス拡散層のうち少なくとも一方と隙間を空けて配置され、当該隙間と当該隙間に隣接する前記第１及び第２成形体のうち少なくとも一方とを覆うように弾性体が配置されている、請求項１８に記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項２０】
前記弾性体は、前記弾性体を構成する樹脂材料の一部が、前記隙間に隣接する第１及び第２ガス拡散層のうち少なくとも一方の周縁部に混在している、請求項１９に記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項２１】
前記第１成形体と第２成形体とは、硬度が異なる樹脂材料で構成されている、請求項１３に記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項２２】
前記第１及び第２成形体のいずれか一方は、熱可塑性樹脂で構成され、
前記第１及び第２成形体のいずれか他方は、熱可塑性エラストマーで構成されている、
請求項２１に記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項２３】
前記第１及び第２成形体のうち少なくとも一方は、熱可塑性樹脂層と熱可塑性エラストマー層とを含む複層構造で構成されている、請求項１３に記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項２４】
前記熱可塑性エラストマー層が前記第１又は第２触媒層の周縁部と接触するように構成されている、請求項２３に記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項２５】
請求項１３〜２４のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体を備える燃料電池。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2011083548.tif 000040
【図２】
2011083548.tif 000041
【図３】
2011083548.tif 000042
【図４】
2011083548.tif 000043
【図５】
2011083548.tif 000044
【図６】
2011083548.tif 000045
【図７Ａ】
2011083548.tif 000046
【図７Ｂ】
2011083548.tif 000047
【図７Ｃ】
2011083548.tif 000048
【図８Ａ】
2011083548.tif 000049
【図８Ｂ】
2011083548.tif 000050
【図８Ｃ】
2011083548.tif 000051
【図８Ｄ】
2011083548.tif 000052
【図９】
2011083548.tif 000053
【図１０】
2011083548.tif 000054
【図１１】
2011083548.tif 000055
【図１２】
2011083548.tif 000056
【図１３】
2011083548.tif 000057
【図１４】
2011083548.tif 000058
【図１５】
2011083548.tif 000059
【図１６】
2011083548.tif 000060
【図１７】
2011083548.tif 000061
【図１８】
2011083548.tif 000062
【図１９】
2011083548.tif 000063
【図２０】
2011083548.tif 000064
【図２１】
2011083548.tif 000065
【図２２Ａ】
2011083548.tif 000066
【図２２Ｂ】
2011083548.tif 000067
【図２２Ｃ】
2011083548.tif 000068
【図２３】
2011083548.tif 000069
【図２４】
2011083548.tif 000070
【図２５】
2011083548.tif 000071
【図２６Ａ】
2011083548.tif 000072
【図２６Ｂ】
2011083548.tif 000073
【図２６Ｃ】
2011083548.tif 000074
【図２７】
2011083548.tif 000075
【図２８】
2011083548.tif 000076
【手続補正書】
【提出日】平成23年10月27日(2011.10.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
本発明の第２１態様によれば、前記第２成形体を構成する樹脂材料の硬度は、前記第１成形体を構成する樹脂材料の硬度よりも低い、第１３態様に記載の電極−膜−枠接合体を提供する
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜の第１の主面に配置された第１触媒層と、前記第１触媒層の主面に配置された第１ガス拡散層と、前記電解質膜の第２の主面に配置された第２触媒層と、前記第２触媒層の主面に配置された第２ガス拡散層と、を有する膜電極接合体の周縁部に枠体が形成された電極−膜−枠接合体の製造方法であって、
前記製造方法は、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と予め成形された額縁状の形状を有する第１成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記電解質膜の第１の主面側に前記第１成形体を配置する工程と、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と予め成形された額縁状の形状を有する第２成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記電解質膜の第２の主面側に前記第２成形体を配置する工程と、
前記第１成形体を配置する工程及び前記第２成形体を配置する工程の後、前記電解質膜の厚み方向から見て前記第２成形体の外縁部よりも内側に位置する前記電解質膜の第２の主面の内側領域に直接接することなく、前記第１成形体及び前記第２成形体を一体的に接続するように、前記第１成形体と前記第２成形体との間に第３成形体を射出成形することにより、前記第１成形体と前記第２成形体と前記第３成形体とを含む前記枠体を形成する工程と、
を含む、電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項２】
前記第２成形体を配置する工程において、前記第２触媒層の周縁部の主面の一部が露出するように前記第２触媒層の周縁部上に前記第２成形体を配置し、
前記枠体を形成する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第３成形体の一部と前記露出する第２触媒層の周縁部の一部とが重なるように、前記第３成形体を射出成形する、請求項１に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項３】
前記枠体を形成する工程において、前記第３成形体を構成する樹脂材料の一部が前記露出する第２触媒層の周縁部の一部に混在するように、前記第３成形体を射出成形する、請求項２に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項４】
前記第１成形体を配置する工程において、前記第１触媒層の周縁部の主面の一部が露出するように、前記第１触媒層の周縁部上に前記第１成形体を配置し、
前記枠体を形成する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第３成形体の一部と前記露出する第１触媒層の周縁部の一部とが重なるように、前記第３成形体を射出成形する、請求項２に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項５】
前記枠体を形成する工程において、前記第３成形体を構成する樹脂材料の一部が前記露出する第１触媒層の周縁部の一部に混在するように、前記第３成形体を射出成形する、請求項４に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項６】
前記膜電極接合体は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部及び前記第２触媒層の周縁部のうち少なくとも一方が、前記電解質膜の周縁部より内側に配置されている、請求項１〜５のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項７】
前記膜電極接合体は、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部が前記第１ガス拡散層の周縁部より外側に配置され、前記第２触媒層の周縁部が前記第２ガス拡散層の周縁部より外側に配置され、
前記第１成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部と前記第１成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記第１成形体を配置し、
前記第２成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第２触媒層の周縁部と前記第２成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記第２成形体を配置する、請求項１〜５のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項８】
前記製造方法は、
前記第１成形体を配置する工程、前記第２成形体を配置する工程、及び前記枠体を形成する工程の前に、
前記第１触媒層の主面に前記第１ガス拡散層を配置する工程と、
前記第２触媒層の主面に前記第２ガス拡散層を配置する工程と、
を含み、
前記第１成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１ガス拡散層の周縁部より外側に前記第１成形体を配置し、
前記第２成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第２ガス拡散層の周縁部より外側に前記第２成形体を配置する、請求項１〜７のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項９】
前記製造方法は、
前記第１成形体を配置する工程、前記第２成形体を配置する工程、及び前記枠体を形成する工程の後に、
前記第１触媒層の主面に前記第１ガス拡散層を配置する工程と、
前記第２触媒層の主面に前記第２ガス拡散層を配置する工程と、
を含み、
前記第１成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１成形体の内縁部より内側に前記第１ガス拡散層を配置し、
前記第２成形体を配置する工程において、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第２成形体の内縁部より内側に前記第２ガス拡散層を配置する、請求項１〜７のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項１０】
前記枠体を形成する工程においては、前記第３成形体を構成する樹脂材料の一部が前記第２ガス拡散層の周縁部に混在するように射出成形される、請求項８又は９に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項１１】
前記第１成形体は、前記第１ガス拡散層と隙間を空けて配置され、
前記第２成形体は、前記第２ガス拡散層と隙間を空けて配置され、
前記枠体を形成する工程の後、前記隙間に弾性体を配置する工程をさらに含む、請求項８〜１０のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項１２】
前記第１成形体と前記第２成形体とは、前記第３成形体により接続される前に、それらの一部が接続されるように一体成形されている、請求項１に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。
【請求項１３】
高分子電解質膜の第１の主面に配置された第１触媒層と、前記第１触媒層の主面に配置された第１ガス拡散層と、前記電解質膜の第２の主面に配置された第２触媒層と、前記第２触媒層の主面に配置された第２ガス拡散層と、を有する膜電極接合体の周縁部に枠体が形成された電極−膜−枠接合体であって、
前記枠体は、
第１成形体と第２成形体と第３成形体とを有し、
前記第１成形体は、額縁状の形状を有し、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と少なくとも前記第１成形体の内縁部とが重なるように、前記電解質膜の第１の主面側に配置され、
前記第２成形体は、額縁状の形状を有し、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と少なくとも前記第２成形体の内縁部とが重なるように、前記電解質膜の第２の主面側に配置され、
前記第３成形体は、前記第１成形体と前記第２成形体とを一体的に接続するように、前記第１成形体と前記第２成形体との間に配置されている、
電極−膜−枠接合体。
【請求項１４】
前記枠体は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層及び前記第２触媒層の周縁部の一部のうち少なくとも一方と前記第３成形体の一部とが重なるように配置されている、請求項１３に記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項１５】
前記第３成形体を構成する樹脂材料の一部は、前記第１触媒層の周縁部の主面の一部及び第２触媒層の周縁部の主面の一部のうち少なくとも一方に混在しており、
前記第１成形体を構成する材料は、前記第１触媒層の周縁部の主面に混在しておらず、
前記第２成形体を構成する材料は、前記第２触媒層の周縁部の主面に混在していない、請求項１３又は１４に記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項１６】
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部及び前記第２触媒層の周縁部のうち少なくとも一方が、前記電解質膜の周縁部より内側に配置されている、請求項１３〜１５のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項１７】
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部が前記第１ガス拡散層の周縁部より外側に配置され、前記第２触媒層の周縁部が前記第２ガス拡散層の周縁部より外側に配置され、
前記枠体は、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１触媒層の周縁部と前記第１成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記第１成形体が配置され、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第２触媒層の周縁部と前記第２成形体の少なくとも内縁部とが重なるように、前記第２成形体が配置されている、請求項１３〜１６のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項１８】
前記第１成形体は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第１ガス拡散層の周縁部より外側に配置され、
前記第２成形体は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第２ガス拡散層の周縁部より外側に配置されている、請求項１３〜１７のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項１９】
前記第１及び第２成形体のうち少なくとも一方は、前記第１及び第２ガス拡散層のうち少なくとも一方と隙間を空けて配置され、当該隙間と当該隙間に隣接する前記第１及び第２成形体のうち少なくとも一方とを覆うように弾性体が配置されている、請求項１８に記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項２０】
前記弾性体は、前記弾性体を構成する樹脂材料の一部が、前記隙間に隣接する第１及び第２ガス拡散層のうち少なくとも一方の周縁部に混在している、請求項１９に記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項２１】
前記第２成形体を構成する樹脂材料の硬度は、前記第１成形体を構成する樹脂材料の硬度よりも低い、請求項１３に記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項２２】
前記第１及び第２成形体のいずれか一方は、熱可塑性樹脂で構成され、
前記第１及び第２成形体のいずれか他方は、熱可塑性エラストマーで構成されている、
請求項２１に記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項２３】
前記第１及び第２成形体のうち少なくとも一方は、熱可塑性樹脂層と熱可塑性エラストマー層とを含む複層構造で構成されている、請求項１３に記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項２４】
前記熱可塑性エラストマー層が前記第１又は第２触媒層の周縁部と接触するように構成されている、請求項２３に記載の電極−膜−枠接合体。
【請求項２５】
請求項１３〜２４のいずれか１つに記載の電極−膜−枠接合体を備える燃料電池。
【国際調査報告】
2011083548.tif 000077
2011083548.tif 000078
2011083548.tif 000079
2011083548.tif 000080